авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Пожарный риск при квазимгновенном разрушении нефтяного резервуара

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Швырков Сергей Александрович ПОЖАРНЫЙ РИСК ПРИ КВАЗИМГНОВЕННОМ РАЗРУШЕНИИ НЕФТЯНОГО РЕЗЕРВУАРА Специальность: 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль, технические наук

и)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва – 2013

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

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Брушлинский Николай Николаевич

Официальные оппоненты: Лурье Михаил Владимирович, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, профессор кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов Поляков Юрий Афанасьевич, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Академия ГПС МЧС России, профессор кафедры инженерной теплофизики и гидравлики Лисанов Михаил Вячеславович, доктор технических наук, ЗАО НТЦ «Промышленная безопасность», директор центра анализа риска

Ведущая организация: ФГБУ «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России

Защита состоится «15» октября 2013 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной противо пожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан «_» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Пузач Сергей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основной направленностью современных подхо дов 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 опас ности аварийной ситуации на объекте.

Однако, несмотря на повышенное внимание исследователей к данной проблеме и достаточно большое количество, как отечественных (Брушлинский Н.Н., Волков О.М., Сучков В.П., Шебеко Ю.Н., Болодьян И.А., Гордиенко Д.М., Елохин А.Н, Сафонов В.С., Одишария Г.Э., Швыряев А.А., Лисанов М.В., Печеркин А.С., Сидоров В.И., Измалков В.И., Акимов В.А., Козлитин А.М. и др.), так и зарубежных (Химмельблау Д., Хенли Э.Дж., Кумамото Х., Маршалл В., Alle B., Morris М., Miles А., Cooper J., Wolski A., Dembsey N., Meacham B., Tixier J., Beerens 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 квазимгно венным разрушением вертикального стального резервуара с нефтью или нефте продуктом (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 характери зуется резкой нестационарностью, наличием фронта в виде бора (вала), движу щегося со значительной скоростью и обладающего большой разрушительной силой.

В этой связи следует отметить, что к основным сооружениям по ограниче нию 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- 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, кото рый 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 рассматривает ся 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 квазимгно венном 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 основа нии которого разработать логическое дерево событий с определением его частотных и вероятностных характеристик, установить коэффициенты разлития и параметры формы площади пролива жидкости, скорректировать метод опре деления 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 опреде ления параметров силового воздействия волны прорыва на человека и предло жить метод определения условной вероятности поражения человека волной прорыва;

- произвести сравнение полученных зависимостей по определению площа ди 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 ограждаю щей стены с волноотражающим козырьком и динамических нагрузок на ее кон структивные 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, харак теризующие пожарную опасность квазимгновенного разрушения РВС, и прак тическое использование их основных закономерностей для решения проблемы снижения пожарного риска. В качестве предмета исследования рассматрива лись 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 аварий ных ситуаций, выявления закономерностей, описания, обобщения.

Моделирование и расчеты, связанные с решением систем уравнений гидродинамики и уравнений деформируемого твердого тела в связанной про странственной постановке, проведены с использованием современного про граммного комплекса для инженерных расчетов LSDYNA, а также подтверждены результатами экспериментальных исследований, обработка которых произво дилась в математической системе Statgraphics-5.0. Расчеты, связанные с коли чественной 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:

1. По результатам обработки статистических данных установлена частота квазимгновенных разрушений РВС, разработано логическое дерево событий и определены его частотные и вероятностные характеристики, определены коэф фициенты разлития и параметры формы площади пролива жидкости при разрушении РВС, скорректирован метод определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива с учетом направле ния разрушения РВС.

2. 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 челове ка волной прорыва.

3. На основе результатов натурного эксперимента по разрушению РВС- с водой подтверждены характер формирования волны прорыва и ее взаимодей ствие с ограждением, а также адекватность полученных зависимостей по опре делению площади пролива и параметров силового воздействия волны прорыва.

4. Сформулированы принципы разработки ограждений РВС для полного удержания волны прорыва, на основании которых предложен вариант кон структивного исполнения преграды – ограждающая стена с волноотражающим козырьком.

5. 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.

6. Предложена концепция оценки и снижения потенциального пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС, за счет применения ограждаю щей 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 дан ные, 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 гидро динамической 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 прегра ды 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 тех нические условия на систему противопожарной защиты проектируемого участ ка четвертого транспортного кольца вблизи резервуарного парка мазутного хо зяйства ТЭЦ-11 г. Москвы». ТУ № 06-004. М.: ОАО «Мосинжпроект», 2006 г.;

- нормативного документа по пожарной безопасности: «Специальные тех нические 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 резер вуаров. Требования пожарной безопасности» ГОСТ Р 53324–2009. М.:

ВНИИПО МЧС России, 2009 г.;

- нормативного документа по пожарной безопасности: «Специальные тех нические условия по обеспечению пожарной безопасности Комплекса по пере валке 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 пор ту 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.), учеб но-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 «Мето дологические 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 потенци ально опасных производств» (г. Москва, МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1996);

5-th International Conference Modern building materials, structures and tech niques (Lithuania, Vilnius, 1997);

27-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 жизнедея тельности» (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 достиже ния 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. «Совершенство вание противопожарной защиты производственных объектов с повышенной пожарной опасностью» (г. Екатеринбург, Уральский институт ГПС МЧС Рос сии, 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 квазимгно венных разрушений РВС: частота разрушений, логическое дерево событий, его частотные и вероятностные характеристики;

- метод оценки параметров площади и формы пролива жидкости при раз рушении 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 воз действия 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирова ны цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследо вания, показаны научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе представлен анализ статистических данных квазимгно венных разрушений РВС, требований нормативной базы по ограничению раз лива жидкостей и оценке пожарного риска на производственных объектах.

Анализ статистических данных (проанализировано 150 случаев разруше ний РВС, произошедших на объектах ТЭК СССР, СНГ и РФ за период с по 2010 г.) показал, что разрушения РВС часто приводят к катастрофическим последствиям, нанося значительный ущерб не только самому производствен ному объекту, но и соседним зданиям, сооружениям, а также окружающей при родной среде (рисунок 1).

Гибель 126 человек (в 32 случаях) ЧС с эвакуацией Экологические населения катастрофы (в 27 случаях) (в 21 случае) Последствия Аварии с эффектом Групповые пожары 150 случаев «домино» РВС (в 62 случаях) разрушений (в 55 случаях) РВС Разрушено волной 44 Разрушено от пожара и повреждено 86 соседних разлива 17 и повреждено РВС (в 64 случаях) 54 РВС (в 23 случаях) Разрушение зданий, сооружений, оборудования (в 50 случаях) Рисунок 1 – Последствия квазимгновенных разрушений РВС Анализ причин разрушений РВС (рисунок 2) показал, что в абсолютном большинстве они являлись следствием дефектов сварных соединений в сочета нии с применением некачественной листовой стали с пониженными механиче скими свойствами. При этом чаще всего хрупкие трещины, приводящие к раз рушению РВС, возникали в дефектах сварочных швов, выполненных при мон таже. Это обстоятельство обусловлено, в основном, склонностью некоторых марок стали (Ст3кп и т. п.) к хрупкому разрушению при низких температурах.

– по данным с 1951 по 1990 г.

– по данным с 1991 по 2010 г.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Рисунок 2 – Распределение причин разрушений РВС:

1 – хрупкое разрушение металла;

2 – дефекты сварочно-монтажных работ;

3 – неравномерная осадка основания РВС;

4 – воздействие высоких температур на пожаре;

5 – землетрясение;

6 – коррозионный износ;

7 – диверсионный акт;

8 – внешнее воздействие взрывной волны;

9 – внешнее механическое воздействие;

10 – взрыв внутри РВС от самовозгорания пирофор ных отложений;

11 – взрыв внутри РВС от разрядов статического электричества (при замере уровня жидкости);

12 – взрыв внутри РВС при производстве сварочных работ;

13 – упуще ния и просчеты при проектировании, строительстве, монтаже и др.;

14 – взрыв внутри РВС от удара молнии;

15 – взрыв внутри РВС при распространении огня по газоуравнительной системе Исключение «кипящей» стали как материала для изготовления резервуаров и вывод из эксплуатации большого количества ранее построенных из этой ста ли РВС существенно снизили их аварийность по этой причине. Однако, как по казала практика, и высококачественная сталь (Ст3пс, 09Г2С и т. п.) оказывается неустойчивой к низким температурам. Рассмотренные обстоятельства позво ляют 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 резер вуаростроения, 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 – инфра 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 нечест ной конкурентной борьбы.

Анализ последствий разрушений РВС убедительно свидетельствует о том, что существующие защитные преграды в виде земляных обвалований или ограждающих стен из негорючих материалов, во всех случаях не выполнили своего функционального назначения. Так, в 46,7 % случаев аварий поток раз рушал стену или размывал обвалование, выходя за пределы территории объек та, что приводило к катастрофическим последствиям с большим материальным ущербом, при этом в 8 случаях отмечено нанесение значительного вреда вод ным объектам. В 35,3 % случаев разрушений РВС поток продукта промывал земляные дамбы или перехлестывал через них, разливаясь по территории про изводственного объекта, нередко приводя к развитию аварий с эффектом «домино». В остальных случаях пролив продукта наблюдался в границах обва лования, так как истечение жидкостей происходило из частично заполненных РВС, разрушившихся, как правило, от взрыва паровоздушной смеси вслед ствие самовозгорания пирофорных отложений, проявления разрядов статиче ского электричества, появления фрикционных искр при нарушении правил пожарной безопасности.

Таким образом, проведенный анализ показал, что проблема обеспечения пожарной, промышленной и экологической безопасности при эксплуатации резервуарных парков остается не решенной и подтверждает необходимость рассматривать волну прорыва в качестве опасного фактора аварийной ситуа ции, а расчет защитного сооружения должен производиться с учетом гидроди намической нагрузки от волны прорыва с целью минимизации возможных трагических последствий.

В работе выполнен анализ требований нормативной базы по ограничению аварийного разлива жидкостей в резервуарных парках. Выявлено, что к основ ным защитным сооружениям относятся земляные обвалования или ограждаю щие стены из негорючих материалов, а также противопожарные разрывы. Важ но отметить, что типичным отступлением от требований норм, в основном на объектах, расположенных в черте населенных пунктов, а также вблизи аквато рий, является сокращение установленных противопожарных разрывов. Приме няемые на практике защитные сооружения в виде земляных обвалований или стен рассчитываются только на гидростатическое удержание пролитой из по врежденного резервуара жидкости, поэтому они не удерживают волну прорыва, образующуюся при полном разрушении РВС. Обустройство же дополнитель ных преград (второго обвалования, отводных канав, рвов и т. п.), особенно в условиях ограниченной территории, как на производственном объекте, так и за его пределами, представляет сложную задачу, редко реализуемую на практике.

В связи с отмеченным, в развитие действующей нормативной базы, сделан вывод о необходимости формулировки принципов разработки ограждений РВС, устойчивых к воздействию волны прорыва, на основе которых предло жить соответствующий вариант конструктивного исполнения преграды.

В диссертации выполнен анализ нормативно-законодательных положений по оценке пожарного риска на производственных объектах, в том числе, «Методики определения расчетных величин пожарного риска на производ ственных объектах», утвержденной приказом МЧС России от 10 июля 2009 г.

№ 404 (далее Методика ОПР), в результате которого выявлено, что:

- волна прорыва не рассматривается в качестве опасного фактора аварий ной ситуации, связанной с квазимгновенным разрушением РВС;

- отсутствуют данные по частоте квазимгновенных разрушений РВС и ста тистическим вероятностям реализации сценариев развития рассматриваемой аварийной ситуации;

- отсутствуют методы оценки формы площади пролива жидкости при раз рушении РВС в зависимости от уклона местности;

- отсутствуют данные по устойчивости ограждений РВС к воздействию волны прорыва;

- отсутствуют методы оценки воздействия волны прорыва на людей, зда ния, сооружения, противопожарные преграды.

Кроме этого, отсутствие современных систем защиты, устойчивых к воз действию волны прорыва, не позволяют производить анализ влияния систем обеспечения пожарной безопасности на расчетные величины пожарного риска.

Таким образом, отмеченные недостатки, указывают на необходимость проведения комплексных исследований, направленных на развитие методов оценки пожарных рисков при квазимгновенном разрушении РВС, а также спо собов его снижения посредством разработки ограждения, устойчивого к воз действию волны прорыва.

Во второй главе приведены результаты статистической оценки частоты квазимгновенных разрушений РВС и условных вероятностей реализации сценариев при авариях нефтяных резервуаров.

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. В связи с этим в работе выполнен анализ выборки статистических данных квазимгновенных разруше ний РВС за период с 1951 по 2010 г., произошедших в резервуарных парках объектов ТЭК, расположенных на территории РФ (122 инцидента). При этом показано, что математической моделью распределения количества квазимгно венных разрушений РВС на рассматриваемых объектах может служить закон распределения Пуассона, что подтверждено удовлетворительной сходимостью эмпирического и теоретического распределений с помощью критериев согласия Пирсона и Романовского.

С целью дифференцированного подхода к определению частоты разруше ний РВС имеющиеся случаи были распределены в зависимости от режима работы резервуара на момент аварии. Такой подход представляется наиболее целесообразным, так как любой резервуар может находиться в одном из двух режимов, при которых возможно образование опасного фактора аварии – волны прорыва. К первому, основному, режиму работы РВС относится нормальный режим работы, когда РВС заполнен нефтью (нефтепродуктом). Другой режим эксплуатации РВС обусловлен проведением гидравлических испытаний водой.

В этой связи можно отметить, что данный подход также будет и предопреде лять сценарии развития аварийной ситуации, связанной с разрушением РВС.

В результате обработки данных получены следующие значения интенсив ностей потока аварий (среднее число аварий в единицу времени):

экспл 4,736 10 5 год 1 (при нормальном режиме эксплуатации);

гидро 9,38901 10 3 год 1 (при гидравлических испытаниях).

По результатам анализа статистических данных выявлено, что при квази мгновенном разрушении РВС время последующего воспламенения (при отсут ствии мгновенного) не превышало времени полного разлива жидкости по тер ритории объекта, что указывает на отсутствие возможности образования значи тельных размеров зон взрывоопасных концентраций. При разработке сценариев развития пожароопасной ситуации данное обстоятельство позволяет исключить сценарии, связанные с образованием пожара-вспышки и сгоранием паровоз душного облака с образованием волны давления. Другой особенностью разви тия пожароопасной ситуации, связанной с образованием горящей волны про рыва при разрушении РВС, является возникновение и воздействие двух опас ных факторов: силового воздействия волны прорыва и теплового излучения пожара пролива, что указывает на необходимость учета таких сценариев при разработке логического дерева событий (рисунок 3).

Qвоспл 1 (Q1) эксплQэкспл Q воспл 2 (Q2) гидроQгидро 3 (Q3) Рисунок 3 – Логическое дерево событий при квазимгновенном разрушении РВС:

Qэкспл = 0,9994521 – условная вероятность нахождения РВС в эксплуатации;

Qгидро = 5,47910-4 – условная вероятность проведения гидравлических испытаний В таблице 1 приведены условные вероятности воспламенения пролива жидкости при разрушении РВС в зависимости от ее температуры вспышки.

Таблица 1 – Условная вероятность воспламенения пролива жидкости Пожароопасная Qвоспл ситуация Твсп 28 °С Твсп 28 °С Разрушение РВС 0,803 0, Условная вероятность того, что воспламенение не произойдет, определяет ся из соотношения:

Qвоспл 1 Qвоспл.

Значения частот реализации сценариев в соответствии с представленным на рис. 3 деревом событий, приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Частота реализации сценария развития пожароопасной ситуации Значение частоты реализации Qi -го сценария, год- Температура вспышки, °С Q1 Q2 Q -5 - 5,1410- 28 9, 3, 1,4010-5 3,3410-5 5,1410- Таким образом, в результате обработки статистической информации, получены частотные характеристики пожароопасных ситуаций, реализующихся при квазимгновенном разрушении РВС.

В третьей главе приведены результаты обработки статистических данных, на основании которых определены коэффициенты разлития, а также параметры форм площадей проливов жидкостей и зон возможного затопления при квазим гновенных разрушениях типовых РВС. Представлено подтверждение получен ных значений результатами натурного эксперимента по разрушению РВС-700.

Показаны особенности определения условной вероятности поражения людей тепловым излучением пожара пролива нефтепродукта при разрушении РВС.

Для оценки площади пролива жидкости (Fпр, м2) при разрушении РВС в Методике ОПР приведена формула вида:

Fпр = fрVж, (1) - где fр – коэффициент разлития, равный 5 м – при проливе на неспланиро ванную грунтовую поверхность;

20 м-1 – при проливе на спланированное грун товое покрытие;

150 м-1 – при проливе на бетонное покрытие;

Vж – объем жид кости, поступившей в окружающее пространство при разрушении РВС, м3.

Из формулы (1) следует, что fр зависит только от планировки и покрытия производственной площадки, при этом форма разлива в любом случае приобре тает очертания окружности. Однако анализ последствий разрушений РВС сви детельствует о том, что на коэффициент разлития основное влияние оказывает не планировка территории и вид покрытия, а уклон производственной площад ки (i, %) по направлению движения потока при разгерметизации РВС. В работе приводятся характерные формы площадей разливов жидкостей, являющихся последствиями происшедших аварий РВС на производственных объектах с раз личным уклоном, подтверждающие выдвинутое утверждение.

Также необходимо отметить, что территории объектов, в составе которых эксплуатируются резервуарные парки, как правило, имеют смешанное сплани рованное покрытие. При этом внутри резервуарных парков, ограниченных по периметру ограждением, покрытие, как правило, грунтовое. Кольцевые дороги, требуемые нормативными документами, выполняются с асфальтовым или бетонным покрытием, либо имеют грунтовое покрытие. Большая часть терри тории объектов также имеет грунтовое покрытие, за исключением зданий и сооружений, подъезды и подходы к которым, как правило, заасфальтированы.

Отдельные технологические площадки, например сливо-наливные автомобиль ные эстакады, в основном имеют асфальтовое или бетонное покрытие, стойкое к воздействию нефтепродуктов при их аварийном разливе.

Существенным также может являться вопрос о влиянии свойств жидкостей хранимых в РВС до аварии на величину площади разлива при разрушении резервуара. В связи с этим из имеющихся статистических данных была произ ведена выборка случаев разрушений РВС-5000 м3, как наиболее распростра ненных на объектах ТЭК, с разливом различных жидкостей на поверхностях с уклоном местности i 1,5 (рисунок 4).

fр, м- f р 5,01 ;

S 0, Диз. топ.

Нефть Бензин Мазут Вода Масло № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Рисунок 4 – Графическое отображение статистического распределения коэффициентов разлития жидкостей при разрушении РВС-5000 м Из рисунка 4 следует, что среднее значение коэффициента разлития ( f р ) для различных жидкостей находится практически в одном диапазоне измерений с незначительным среднеквадратичным отклонением от наблюдаемой величи ны ( S ), то есть на величину площади разлива жидкости такие ее свойства как вязкость и плотность существенного влияния не оказывают.

Таким образом, приведенные выше факторы относительно вида и плани ровки покрытий резервуарных парков производственных объектов, а также отсутствие методики оценки параметров формы площади разлива (пожара про лива) жидкости при разгерметизации РВС, не позволяют корректно использо вать предлагаемые значения коэффициентов разлития, что предопределило необходимость дифференцированного подхода к определению их величин.

Для соблюдения одинаковых начальных условий наблюдений, то есть сохранения во всех наблюдениях практически одинаковых значений контроли руемых факторов, статистические данные в зависимости от уклона производ ственной площадки, непосредственно влияющего на форму и величину площа ди пролива жидкости, были распределены по трем группам:

первая группа с i 1,5 – площадь пролива жидкости близка к форме круга, центр которого смещен на расстояние Lсм относительно центра аварийного резервуара в сторону направления потока жидкости (рисунок 5а);

вторая группа с 1,5 i 3,0 – площадь пролива жидкости в направлении максимального уклона местности напоминает форму полукруга с примыкаю щей к нему трапецией (рисунок 5б);

третья группа с 3,0 i 7,0 – форма пролива аналогична форме во второй группе, однако трапеция имеет более вытянутую форму (рисунок 5б).

Основное Fз Fпр Fз Fпк Fтр направление движения потока Lтр Rпр Rз Rз* Lсм Rр Lмах Lмах а) б) Рисунок 5 – Формы площадей проливов жидкостей и зон возможного затопления территорий с уклоном местности а) i 1,5;

б) 1,5 i 7,0:

Rр – радиус РВС, м;

Rпр – радиус площади пролива жидкости при разрушении РВС, м;

Rз – радиус зоны возможного затопления территории жидкостью при разрушении РВС, м;

Lсм – расстояние от центра аварийного РВС до центра окружности, ограничивающей пло щадь пролива, м;

Lмах – максимальное расстояние от центра аварийного РВС до границы зер кала пролива жидкости по направлению уклона местности, м;

Lтр – ширина площади пролива жидкости на территориях с 1,5 i 7,0, численно равная Rпр, м;

Fпк и Fтр – площади полукру га и примыкающей трапеции, соответственно, на территориях с 1,5 i 7,0, м2;

Fз – площадь зоны возможного (ожидаемого) затопления территории жидкостью при разрушении РВС, м При этом под зоной возможного (ожидаемого) затопления понимали участок территории объекта или прилегающей к нему местности, в пределах которой может разлиться жидкость, находящаяся в полностью заполненном РВС. Границей зоны возможного затопления служила условная линия, ограни чивающая зону затопления, за пределы которой не произойдет разлив жидкости из разрушившегося РВС.

Для корректного использования статистического метода оценки коэффи циентов разлития жидкостей при разрушении РВС произведена предваритель ная обработка результатов измерений, включающая в себя отсев грубых погрешностей наблюдений и проверку соответствия распределения результатов наблюдений закону нормального распределения. По результатам обработки данных с использованием критерия Пирсона сделан вывод о соответствии рас пределения результатов наблюдений закону нормального распределения и воз можности их использования для нахождения коэффициентов разлития.

Таким образом, в результате обработки статистических данных при про гнозировании площади пролива жидкости вследствие разрушения РВС, реко мендованы следующие коэффициенты разлития для рассматриваемых групп:

fр = 5,5 м-1;

fр = 7,5 м-1;

fр = 12,5 м-1.

В таблице 3 приведены обобщенные параметры, характеризующие форму площади пролива жидкости и зоны возможного затопления территории при квазимгновенном разрушении РВС в зависимости от уклона местности.

Таблица 3 – Параметры формы и зоны пролива жидкости при разрушении РВС Уклон местности Значения параметров Rпр Fпр / ;

Fпр = 5,5Vж;

i 1,5 Lсм 3,9Rр Rз Lмах Rпр Lсм ;

Fз Rз Fпк Rпр / 2 ;

Fтр Fпр Fпк ;

Fпр = Fпк + Fтр = 7,5Vж;

1,5 i 3,0 Rпр Lтр 6,8Rр 2 Fтр Lmax ;

Rз Rз ;

* 3Rпр Fпр = Fпк + Fтр = 12,5Vж;

3,0 i 7,0 Rпр Lтр 6,3Rр Fз Rз / 2 2Rз Lmax По результатам расчетного определения параметров аварийного пролива нефти или нефтепродукта при квазимгновенном разрушении РВС на схему ситуационного (генерального) плана объекта наносится максимально прогнози руемая площадь пролива и зона возможного затопления территории с указани ем их значений.

С целью подтверждения результатов теоретических изысканий по опреде лению параметров площади пролива жидкости произведено экспериментальное исследование процесса растекания воды на примере квазимгновенного разру шения РВС-700 м3 на «Филатовской» нефтебазе ОАО «Липецк – Терминал», подробное описание которого приводится в диссертации.

Для разрушения был выбран РВС № 8, который перед проведением экспе римента заполнили водой на 0,95 % объема. Расстояние от стенки РВС до по дошвы внутренних откосов обвалования составляло 12 м. В целях получения эффекта квазимгновенного разрушения РВС его раскрытие проводилось путем взрыва шнурового заряда, проложенного вертикально на всю высоту стенки РВС. Величина уклона производственной площадки не превышала 3 %.

Для получения наибольшей ожидаемой площади пролива жидкости и оценки последствий взаимодействия волны с защитной преградой разрушение РВС произвели со стороны земляного обвалования парка (рисунок 6).

Граница площади разлива 12м 10м 10м 10м 10м 10м 1 10м Овраг 2 -2, 12м Овраг ФБС ПК 8,5м 7,1м 38м Разрушение Направление ограждения L = 15 м разрушения Fпр = 5200 м -5, -7, Овраг Рисунок 6 – Схема обстановки в резервуарном парке после разрушения РВС № Результаты проведенного эксперимента подтвердили характер взаимодей ствия образовавшегося потока жидкости с земляным обвалованием. Основная масса жидкости перехлестнула через обвалование, частично размыв его гре бень. Следует отметить, что ширина потока, подходящего к обвалованию, при мерно соответствует диаметру резервуара. Затем происходит резкое увеличение ширины потока, особенно в направлении наибольшего уклона площадки.

По мере своего продвижения поток частично разрушил обвалование, опро кинул фундаментный блок ФБС 24-5-6 массой 1,63 т и плиту перекрытия ПК 60-12-8 массой 2,15 т, повредил и сдвинул с фундамента соседние резервуары № 6 и 7, разрушил ограждение и вышел за пределы территории объекта. Пло щадь пролива достигла своих максимальных размеров примерно через 6-8 с от момента разрушения РВС и составила около 5200 м2.

Ожидаемая площадь пролива при коэффициенте разлития fр = 7,5 м- составляет 5448 м2. Необходимо отметить, что разлив жидкости при разруше нии резервуара на завершающем этапе был ограничен расположенными в непо средственной близости естественными оврагами глубиной от 2,5 до 7 м, что привело к некоторому снижению фактической площади пролива.

Таким образом, формула (1), с учетом использования полученных коэффи циентов разлития для соответствующих уклонов местности, с достаточной для инженерных расчетов точностью может быть использована на практике для прогнозирования площади пролива (пожара пролива) в случае полного разру шения РВС.

В связи с тем, что разрушение РВС равновероятно по всем направлениям, а центр РВС не совпадает с центром площади пролива, метод определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива, изложенный в Методике ОПР, скорректирован с учетом особенностей решаемой задачи. На рисунке 7 представлена расчетная схема к определению условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара про лива при разрушении резервуара.

Рисунок 7 – Расчетная схема 1 B к определению условной вероятности поражения человека тепловым излучением Rпр пожара пролива при r разрушении РВС:

А 1 – окружность, характеризующая C размещение человека на O1 O2 x расстоянии r от центра РВС;

2 – граница площади пролива;

Lсм 3 – граница зоны полного затопления;

4 – граница зоны возможного затопления;

O1 – центр РВС;

D O2 – центр площади пролива Рассматриваемая область имеет три характерные зоны:

- зону полного затопления r ( Rпр Lсм ) ;

- зону возможного затопления ( Rпр Lсм ) r ( Rпр Lсм ) ;

- зону без затопления r ( Rпр Lсм ).

В зоне полного затопления независимо от направления разрушения РВС условная вероятность поражения человека тепловым излучением пожара про лива равна 1. Вероятность попадания человека в зону затопления определяется по формуле:

Qпз, (2) где 1 – угол между отрезками O1O2 и О1B.

Угол 1 является функцией расстояния r от центра РВС:

r 2 L2 Rпр 1 (r ) arccos.

см (3) 2r L см Средние расстояния rср(r), необходимые для определения интенсивности теплового излучения, определяются по формулам:

- в зоне возможного затопления r 2 L2 r Lсм cos( )d см rср (r ) ;

(4) - в зоне без затопления r 2 L2 r Lсм cos( )d см rср (r ). (5) Далее расчеты по определению интенсивности теплового излучения про водят по формулам, приведенным в Методике ОПР, при этом вместо расстоя ния от центра РВС используют величины rср(r), определенные по формулам (4) и (5).

Таким образом, условную вероятность поражения человека тепловым излучением пожара пролива находят из выражения:

1, если r Rпр Lсм.

Если ( R L ) r ( R L ) :

пр см пр см Pr P r exp 2 dPr, при r x;

Qпз Q пз 2 Qпож (r ) 0, при r x. (6) Если r ( R L ) :

пр см Pr P r exp 2 dPr, при r x;

2 0, при r x, где Pr – пробит-функция для поражения человека тепловым излучением, вели чина которой определяется по формуле, приведенной в Методике ОПР.

В четвертой главе представлены анализ потока жидкости при полном разрушении РВС, обзор теоретических и экспериментальных исследований волн прорыва и их взаимодействия с защитными преградами, методик расчета максимальных параметров потока по трассе растекания при гидродинамиче ских авариях. Приведены результаты численного моделирования процесса образования волны прорыва при разрушении РВС и параметров ее воздействия на людей, здания, сооружения, а также верификация разработанной модели на основе сравнительного анализа с результатами натурного эксперимента.

Анализ работ по исследованию неустановившегося движения жидкости в открытом русле, возникающем при разрушении гидротехнического сооруже ния, показал, что оно не описывается какой-либо системой дифференциальных уравнений, адекватной во времени на всех участках рассматриваемого процес са. Поэтому для получения общей картины движения потока и его воздействия на людей, здания и сооружения, в том числе, противопожарные преграды, необходимо как бы «сшить» решения локальных задач, описанных в соответ ствующих разделах гидродинамики. При этом выявлено, что в ряде работ, непосредственно связанных с изучением движения потока жидкости, образую щегося при разрушении РВС, задача формулировалась как гравитационное рас текание «цилиндрического» слоя жидкости или рассматривалась плоскостная задача без учета радиального растекания жидкости при формировании волны прорыва из-под щита в результате быстрого поднятия в канале заслонки. В обоих случаях отсутствовали данные о динамическом воздействии потока на какие-либо преграды.

В этой связи важно отметить, что статистикой разрушений РВС не отмече но ни одного случая полностью радиального движения жидкости. Объясняется это тем, что разрушение РВС происходит почти мгновенно («квазимгновенно»).

Поэтому в течение первых нескольких секунд аварии на формирование потока существенное влияние оказывают стенки разрушенного резервуара. То есть при аварии РВС всегда имеется основное направление движения волны, которая и обладает наибольшей разрушительной силой. Таким образом, применительно к задаче исследования возникновения волны прорыва при разрушении РВС, ее распространения и воздействия на людей, здания и сооружения, в том числе защитные преграды, результаты ранее проведенных теоретических исследова ний являются явно недостаточными. Это требует разработки математической модели, адекватной изучаемому процессу, ее численного решения и подтвер ждения полученных данных результатами экспериментов.

Относительно рассмотренных экспериментальных исследований, необхо димо также отметить, что подтверждение частных теоретических предположе ний, авторами производилось на основании результатов экспериментов, выпол ненных, как правило, на лабораторных стендах, разработанных с использовани ем методов подобия и размерности, при этом, для получения численных харак теристик потока и его силового воздействия, использовалось соответствующее приборное оборудование.

Учитывая, что волна прорыва при разрушении РВС во многом аналогична потоку жидкости, образующемуся при аварии гидротехнического сооружения, в работе выполнен анализ методик, содержащих, в частности, методы опреде ления показателей силового воздействия волны прорыва на людей, здания и сооружения при гидродинамических авариях на различных производственных объектах.

По результатам проведенного анализа установлено, что:

1) к основным параметрам потока по трассе растекания, подлежащим определению, следует отнести высоту и скорость волны прорыва;

2) гидродинамические параметры волны прорыва следует определять на основе решений двумерных или трехмерных уравнений Сен-Венана численны ми методами;

3) в качестве критерия воздействия волны прорыва на людей, здания и сооружения может использоваться значение величины удельной энергии потока (P, кг/с2) в каждой точке зоны затопления, определяемое по формуле:

P 0,5H впU вп, (7) где – плотность жидкости, кг/м3;

Hвп 0,25 – высота волны прорыва, м;

Uвп 0,5 – скорость волны прорыва, м/с;

4) в качестве критических значений воздействия волны прорыва на людей, здания и сооружения могут использоваться следующие критические значения величины удельной энергии потока (Pкр, кг/с2): Ркр 4000 – гибель человека на открытой местности;

Ркр 13500 – гибель человека в зданиях из древесины, сэндвич-панелей, металлоконструкций;

Ркр 40000 – гибель человека в кир пичных и блочных зданиях малой этажности;

Ркр 125000 – гибель человека в зданиях с тяжелым металлическим и железобетонным каркасом;

5) оценку силового воздействия волны прорыва на человека осуществляют путем сравнения расчетной величины удельной энергии потока (P) с критиче скими значениями (Pкр). При Р Ркр условную вероятность гибели человека принимают равной 1, в обратном случае – 0.

Как уже отмечалось, рассчитать взаимодействие пластически деформиру емой стенки резервуара и жидкости, а также воздействие образовавшегося набегающего потока со сложным распределением глубины и поля скоростей на людей, здания и сооружения, а также на защитную преграду аналитическими методами не представляется возможным. Решение проблемы в полной поста новке, с учетом всех факторов возможно только численными методами. Поэто му, применительно к решению поставленной в работе задачи, на основании известных теоретических положений о неустановившихся гидродинамических явлениях, совместно со специалистами отдела математического моделирования и инженерных расчетов Компании CAD-FEM GmbH, разработана модель воз никновения волны прорыва при разрушении РВС, ее распространения и воз действия на людей и преграды.

Движение деформируемой стенки резервуара описывалось системой нестационарных уравнений механики деформируемого твердого тела, записан ных в лагранжевой формулировке, и состоящей из уравнений сохранения массы, количества движения и энергии, которые численно интегрировались методом конечных элементов с использованием явной по времени схемы инте грирования второго порядка.

Для описания движения жидкости применялся эйлеров подход, при этом, исходные уравнения дополнялись адвективным членом, описывающим перенос исторических переменных, таких как плотность, температура, степень дефор мации, в результате чего конечные уравнения имели следующий вид:

i (Vi i ) ;

(8) t xi xi j ij j g j (Vi i ) ;

(9) t xi xi q u u ij Dij r i (Vi i ), (10) t xi xi где Vi – скорость сетки;

i – скорость среды;

ij – тензор напряжений Коши;

Dij – тензор деформации скорости;

g – ускорение свободного падения;

u – удельная внутренняя энергия;

r – интенсивность объемного тепловыделе ния;

q – тепловой поток.

Численное интегрирование уравнений гидродинамики выполнялось в сре де программного комплекса для инженерных расчетов LSDYNA на подвижной и неподвижной эйлеровых сетках методом расщепления за два шага. На первом шаге вычислялась лагранжева производная по времени исторических перемен ных. На втором шаге определялось относительное движение между сеткой и материалом, а исторические переменные приводились к узлам и элементам неподвижной сетки. Для расчета нагрузок, которыми обмениваются жидкость и стенка РВС и жидкость и защитная преграда, уравнения механики и гидроди намики решались в связанной постановке на несвязанных сетках. В этом случае сетка лагранжевых конечных элементов, которыми моделировались стена ограждения и стенка резервуара, являлась границей области течения для жид кости. В случае проникания жидкости за эту границу к узлам эйлеровой сетки прикладывались усилия, препятствующие прониканию, а противоположные по направлению усилия прикладывались к узлам лагранжевой сетки в области проникания. Полученные контактные узловые силы затем суммировались с усилиями, определяемыми через внутренние напряжения и объёмные нагрузки, что, в целом, обеспечивало выполнение исходных уравнений.

На рисунке 8, в качестве примера, представлены характерные фрагменты течения жидкости при моделировании процесса разрушения РВС-700 м (в диссертации приводятся аналогичные результаты моделирования для типовых резервуаров, номинальным объемом до 50000 м3).

= 0,0 c = 2,9 c = 0,9 c = 5,0 c = 2,0 c = 12,0 c Рисунок 8 – Характерные фрагменты течения жидкости при моделировании процесса разрушения РВС-700 м Обработка полученных результатов с целью нахождения регрессионных моделей и их дальнейшего использования для определения величины удельной энергии потока по трассе растекания по формуле (7) производилась с использо ванием программы Statgraphics-5.0.

В результате обработки данных методом многофакторного регрессионного анализа получены следующие зависимости для нахождения:

- высоты и скорости волны прорыва по направлению разрушения РВС в диапазоне изменения параметров: 8,60 Нр 17,10;

5,20 Rр 30,35;

14,0 L 380, 1, 293lg(H / L )0,991lg(R / L )0, H вп L 10 р р ;

(11) R = 99,74 %;

Fкр = 3,15;

Fм = 10925,65;

= 0,081;

H р 1,998 H р Rр 0,152 0, U вп gL 0,144 ;

2,521 (12) L L Hр / L Rр / L R2 = 95,14 %;

Fкр = 2,52;

Fм = 279,15;

= 0,117;

- высоты и скорости волны прорыва в противоположном разрушению РВС направлении в диапазоне изменения параметров: 8,60 Нр 17,10;

5,20 Rр 30,35;

10,0 L 110, 1, 204lg(H р / L )2, 634lg(Rр / L )0, H вп L ;

(13) R = 98,18 %;

Fкр = 3,40;

Fм = 645,99;

= 0,212;

H р 1,64 H р Rр 0,04 0, U вп gL 1,483, 1,405 (14) L L Hр / L Rр / L R2 = 92,36 %;

Fкр = 2,82;

Fм = 66,53;

= 0,118, где Нр – высота жидкости в РВС до аварии, м;

R2 – величина достоверности аппроксимации;

Fкр – критическое значение F-критерия Фишера;

Fм – значение F-критерия Фишера в модели;

– доверительный интервал при уровне значи мости = 5 %.

На рисунке 9 представлена разработанная принципиальная схема, в соот ветствии с которой условная вероятность поражения человека волной прорыва при разрушении РВС будет определяться по формуле:

1, если r l ;

r 2 b 2 Rвп Qволн (r ) Qволн (r ) arccos /, если l r L;

2 r b (15) 0, если r l.

Рисунок 9 – Расчетная схема к определению условной 1 2 вероятности поражения B человека волной прорыва 4 при разрушении РВС:

1 – окружность, характеризующая Rвп r размещение человека на расстоянии r от центра РВС;

2 – граница зоны, А C в которой условная вероятность поражения человека волной Направление O1 O2 движения прорыва в направлении движения потока l b потока равна 1;

3 – граница зоны, в которой условная вероятность L поражения человека волной прорыва независимо от направления D движения потока равна 1;

4 – граница зоны возможного поражения человека волной прорыва Вследствие того, что на величину площади пролива жидкости существен ное влияние оказывает уклон производственной площадки, то для оценки его влияния на основные параметры волны прорыва при разрушении РВС, произ ведено численное моделирование данного процесса. В качестве примера рас сматривалось разрушение типового РВС-5000 м3 с водой, как наиболее распро страненного типа резервуара в отрасли, с максимально возможным (в данной работе) уклоном трассы растекания жидкости в зоне затопления i = 7 %.

В результате численного моделирования получены значения высоты и ско рости волны прорыва, сравнение которых с аналогичными параметрами потока по трассе растекания с уклоном i = 1,5 %, представлено на рисунке 10.

Нвп, м Uвп, м/с 4,0 Нвп = f (L) при i = 1,5 % Нвп = f (L) при i = 7,0 % 3,5 Uвп = f (L) при i = 1,5 % Uвп = f (L) при i = 7,0 % 3, 2, 2, 1, 1, 0, 0, 0 20 40 60 80 100 120 140 160 L, м Рисунок 10 – Сравнение параметров волны прорыва по трассе растекания с различным уклоном при разрушении РВС-5000 м3 с водой Анализ представленных на рисунке 10 зависимостей позволил сделать вывод о несущественном влиянии максимального уклона местности на значе ния высоты и скорости волны прорыва в зоне ее возможного негативного воз действия на людей, здания и сооружения, то есть где Нвп 0,25 м (показано красной пунктирной линией), поэтому для построения полей воздействия волны прорыва с использованием параметра удельной энергии потока, в диапа зоне изменений уклона местности от 1 до 7 %, возможно использовать зависи мости (11-14).

Подтверждение о возможности использования разработанной математиче ской модели получено в результате сравнительного анализа с эксперименталь ными данными при разрушении РВС-700 м3 с водой. Ниже представлены результаты натурного эксперимента с позиций оценки скорости и высоты волны прорыва по трассе растекания, а также ее силового воздействия на бетонный блок, установленный перед разрушением резервуара на гребне земляного обвалования (рисунок 11а), и их сравнение с результатами численно го моделирования изучаемых процессов (рисунок 11б).

= 0,0 c = 0,0 c = 1,0 c = 1,0 c = 2,0 c = 2,0 c = 3,0 c = 3,0 c = 4,0 c = 4,0 c = 5,0 c = 5,0 c = 6,6 c = 6,6 c а) б) Рисунок 11 – Характерные фрагменты течения жидкости при натурном (а) и численном (б) экспериментах На рисунке 12 представлен объединенный график значений высоты и скорости волны прорыва по трассе растекания, полученных при численном и натурном экспериментах, анализ которого показал, что расхождение одноимен ных величин не превышает 12 % и указывает на удовлетворительную сходи мость результатов.

Нвп, м Uвп, м/с 3,0 12, Рисунок 12 – Сравнение 2,5 10, параметров волны прорыва по трассе растекания при 8, 2, численном и натурном экспериментах:

6, 1, Нвп = f (L) числ. эксп.

Нвп = f (L) натур. эксп.

4, 1, Uвп = f (L) числ. эксп.

Uвп = f (L) натур. эксп.

2, 0, 0, 0, 0 10 20 30 L, м На рисунке 13 показаны места расположения фундаментного блока марки ФБС (длина 2,4 м;

ширина 0,4 м;

высота 0,6 м) в результате воздействия на него потока жидкости при разрушении РВС и при численном моделировании, анализ которых по характерному расстоянию от центра блока до подошвы земляного обвалования, измеренному после разрушения резервуара (около 7,1 м) и полу ченному в результате численного моделирования (около 6,9 м), также указыва ют на удовлетворительную сходимость результатов.

= 6,6 c Основное Рисунок 13 – Сравнение мест направление расположения блока:

движения 1 – исходное положение блока потока на гребне земляного обвалования;

РВС 2 – положение блока после воздействия на него волны прорыва при разрушении РВС;

3 – положение блока по результатам численного моделирования Таким образом, удовлетворительная сходимость результатов теоретиче ских и экспериментальных исследований показывает, что разработанная мате матическая модель адекватно описывает изучаемый процесс и может использо ваться для определения параметров воздействия волны прорыва на людей, здания, сооружения и противопожарные преграды.

В пятой главе представлены принципы разработки ограждений, направ ленных на снижение пожарного риска при разрушении РВС, на основании которых предложена новая конструкция преграды – ограждающая стена с вол ноотражающим козырьком. Приведены данные теоретических и эксперимен тальных исследований по удержанию волны прорыва разработанной преградой и результаты их обработки.

Отечественный и мировой опыт защиты людей и территорий от разлива нефти и нефтепродуктов в случае аварий резервуаров показывает, что ее эффективность во многом должна определяться соблюдением следующих концептуальных принципов:

гарантированность – безусловное предотвращение распространения раз лива горючей жидкости за пределы защитного сооружения;

активность – минимизация воздействия на людей, постройки и окружаю щую среду сопутствующих гидродинамической аварии других опасных факто ров (тепловое излучение пожара разлива, загазованность территории и др.);

безопасность – снижение негативного воздействия опасных факторов на личный состав пожарной охраны и техники, участвующих в ликвидации пожа ров в резервуарных парках;

стойкость – способность сохранять свойства в течение заданного времени от атмосферных проявлений, воздействия теплового излучения пожара разлива, резервуара или пожара за огражденной территорией;

многофункциональность – совмещение функции защиты от гидродина мического разлива жидкости с возможностью использования в других целях (прокладка дорог, размещение стационарных систем пожаротушения и др.);

экологическая чистота – сохранение экологической обстановки на объекте и прилегающей к нему местности (установка внутри ограждения экра нов, исключающих инфильтрацию разлившегося продукта в грунт);

локальность – реализация в границах объекта, от которого исходит опас ность разлива горючей жидкости (учитывая различную социально-экономичес кую значимость и степень освоения объектов на сопредельной территории, размер возможного ущерба и экологических последствий от разлива, защитные мероприятия могут носить избирательный локальный характер);

компенсация – применение с целью компенсации при вынужденных отступлениях от требований норм проектирования, в основном, в части сокра щения минимально допустимых расстояний между объектами, при условии обеспечения требуемого уровня пожарной безопасности;

экономичность – экономическая эффективность при заданных параметрах защитных свойств и низких эксплуатационных расходах в течение срока службы;

противодействие – ограничение несанкционированного доступа на объект защиты с минимизацией величины ожидаемого ущерба при возможных проявлениях террористических актов;

эстетичность – способность органически вписываться в городские и природные ландшафты с архитектурным оформлением, способствующим эстетическому восприятию (применение новых конструкций, материалов и др.).

На основе сформулированных принципов в работе предложен новый вари ант конструктивного исполнения преграды в виде ограждающей стены с волно отражающим козырьком (рисунок 14).

45° b Рисунок 14 – Принципиальная схема ограждающей стены с волноотражающим козырьком:

Hc 1 – защитная стена;

2 – волноотражающий козырек;

3 – площадка отражения потока;

4 – основание стены грунт грунт Основой для разработки такой конструкции преграды послужили ранее выполненные автором совместно со специалистами кафедры нефтегазовой гид родинамики Академии нефти и газа им. И.М. Губкина теоретические исследо вания на основе численного решения математической модели возникновения, распространения и воздействия волны прорыва на вертикальную преграду методом С.К. Годунова с использованием результатов решения задачи о распа де произвольного разрыва в системе дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка. В результате решения сформулированной зада чи выявлена неэффективность увеличения только вертикальной составляющей ограждения для полного предотвращения перелива через него нефти или нефтепродукта при разрушении РВС, что обусловлено значительной высотой преграды, соизмеримой, на небольших расстояниях до РВС, с высотой самого резервуара. Поэтому дальнейшие исследования были направлены на уменьше ние высоты ограждения посредством дополнения его волноотражающим козырьком с решением двух основных задач:

1) установления зависимости высоты стены от типа РВС, расстояния до преграды, угла наклона козырька и длины его вылета;

2) определения параметров устойчивости ограждения к воздействию волны прорыва.

Для решения первой задачи использовались данные, полученные в ходе проведения опытов на экспериментальном стенде, принципиальная схема которого показана на рисунке 15.

6 5 4 3 hp dp Рисунок 15 – Принципиальная 7 схема экспериментального стенда и фрагмент опыта Экспериментальный стенд состоял из неподвижного горизонтального основания 1, размером 3000х3000 мм, по всему периметру которого была уста новлена скользящая преграда 2, имитирующая ограждение. Внутри ограждения устанавливалась модель 3 натурного резервуара типа РВС-2000, выполненная в масштабе 1:30 и имеющая диаметр 0,50 м и высоту 0,42 м. Боковые поверхно сти модельного резервуара 4 состояли из двух полуцилиндров, соединенных между собой поворотным механизмом 5, который обеспечивал их раскрытие на 180 градусов. Разъемное замковое устройство 6 воспроизводило разрушение резервуара по вертикали. В собранном виде элементы резервуара образовывали замкнутую цилиндрическую оболочку, установленную на круглое днище 7 и скрепленное с ним стержнем от поворотного механизма.

Методика проведения опытов заключалась в следующем. Модель резерву ара устанавливали на заданном расстоянии от преграды и заполняли водой.

Имитировали разрушение резервуара. Взаимодействие волны с ограждающей стеной фиксировали цифровой видеокамерой. Если жидкость перехлестывала через экспериментальную защитную стену, то высоту последней увеличивали и эксперимент повторяли. Также меняли угол наклона козырька к горизонту 30° 75° и его ширину 0,02 м b 0,04 м. 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 результате проведенных опытов получена удовлетворительная сходи мость с результатами численного решения поставленной задачи, на что указы вало расхождение одноименных величин, не превышающее 20 %.

Установлено, что наиболее эффективный угол наклона волноотражающего козырька составляет 45°, а наиболее эффективная замкнутая форма ограждения – восьмиугольник (угол перекрещивания стенок преграды 135°).

Обработка экспериментальных данных методом многофакторного регрес сионного анализа позволила получить следующую аппроксимационную зави симость для определения высоты защитной стены:

Нс a2 a a 0,0664 1 0,0871 1 0,0639 1, (16) Кз Н р a2 a a где Кз – коэффициент запаса, который рекомендуется принимать равным 1, для резервуаров вместимостью не более 5000 м3 и равным 1,2 для резервуаров большей вместимости;

а1 = f1(b/Hр), а2 = f2(L1/Rp) – переменные, зависящие от длины вылета волноотражающего козырька и расстояния от центра резервуара до ограждающей стены, соответственно равные:

L b a2 lg 1.

a1 15,2 0,485 ;

R Hр р Длину вылета волноотражающего козырька рекомендуется принимать: не менее 0,5 м для РВС объемом до 700 м3;

не менее 1,0 м для РВС объемом от до 5000 м3;

не менее 1,5 м для РВС объемом от 5000 до 50000 м3.

Таким образом, полученная зависимость (16) позволяет на основании экс плуатационных характеристик РВС номинальным объемом от 700 до 50000 м найти оптимальную высоту ограждающей стены при соответствующей длине вылета волноотражающего козырька (при = 45°) в зависимости от расстояния до РВС в диапазоне от 3 до 30 м, то есть получить исходные данные для проек тирования противопожарной преграды.

Нахождение параметров устойчивости ограждения к воздействию волны прорыва (вторая задача) основывалось на численном решении уравнений гидродинамики (см. формулы (8-10)).

Математическое моделирование проводилось в среде программного про дукта LSDYNA, где разрабатывалась геометрическая модель РВС с ограждени ем. При этом стенки и днище резервуара моделировались линейными оболо чечными конечными элементами. Разрушение РВС вертикальной трещиной моделировалось мгновенным освобождением узлов вдоль образующей. Стенки РВС имели возможность скользить с трением вдоль горизонтальной поверхно сти основания. Расчет напряженно-деформированного состояния стены ограж дения не проводился. Стена считалась недеформируемой. Сеточная модель сте ны ограждения имела выделенные участки, на которых проводилась регистра ция усилий, создаваемых набегающим потоком. Течение жидкости и газа моде лировалось на эйлеровой сетке. Жидкость заполняла РВС на заданную высоту взлива и рассматривалась как сжимаемая вязкая среда с полиномиальным урав нением состояния, соответствующей плотности и вязкости. Оставшаяся часть расчетной области заполнялась средой с уравнением состояния идеального газа плотностью 1,23 кг/м3. Задача решалась в связанной постановке, то есть тече ние жидкости, газа и деформация структуры рассчитывались одновременно.

Ниже, в качестве примера, на рисунках 16-18 и в таблице 4, представлены результаты численного моделирования воздействия волны прорыва на ограж дающую стену с волноотражающим козырьком при разрушении типового РВС-5000 при следующих исходных данных:

- параметры РВС: диаметр 20,92 м;

высота 15,0 м;

максимальный уровень взлива жидкости 14,23 м;

- характеристики жидкости: авиационный керосин;

плотность 760,3 кг/м3;

- характеристики преграды: расстояние до РВС 15,0 м;

высота стены 2,5 м;

ширина козырька 1,2 м;

длина выделенного участка 6,5 м/п (по основному направлению воздействия потока).

= 0,0 c = 1,8 c = 2,5 c = 2,8 c = 3,5 c = 3,6 c Рисунок 16 – Фрагменты течения жидкости и деформированного состояния РВС- H, м F, тс 4 3 козырек 2 стена 1 q, тм/м, с 0 4 8 12 16 0 1 2 3 4 5 Рисунок 17 – Расчетная эпюра Рисунок 18 – Зависимость усилия погонной нагрузки на выделенном от времени на выделенном участке участке защитной стены защитной стены Таблица 4 – Динамические нагрузки на выделенном участке стены Максимальное Максимальный Максимальный Максимальное усилие сдвига на опрокидывающий момент на усилие на стене с козырьком момент на стене с козырьке козырьке Q, т/м козырьком М, тм/м m, тм/м Qк, т/м 31,0 51,0 4,2 8, Анализ представленных, а также аналогично выполненных и приведенных в диссертации расчетов для типовых РВС, номинальной вместимостью до 50000 м3, показал, что гидродинамические нагрузки от волны прорыва на ограждающую стену зависят, в основном, от диаметра резервуара и высоты взлива жидкости в РВС до аварии, а также расстояния от РВС до ограждения.

Причем, последнее, в свою очередь, существенно влияет на высоту ограждаю щей стены и длину вылета волноотражающего козырька.

Установлено, что наиболее оптимальными, с точки зрения возможности строительства ограждающей стены без применения дополнительных затрат на повышение ее устойчивости к воздействию волны прорыва посредством обу стройства, например, габионов, подпорных и других конструкций, являются следующие расстояния от РВС до ограждающей стены:

10-15 м – для РВС, вместимостью от 700 до 5000 м3, включительно;

15-20 м – для РВС, вместимостью от 5000 до 30000 м3, включительно;

20-30 м – для РВС, вместимостью от 30000 до 50000 м3, включительно.

В целом, рассмотренный подход, позволяет численно определять основные динамические нагрузки на ограждающую стену с волноотражающим козырь ком заданной геометрией, что, как показала практика, является достаточной исходной информацией для проектирования и строительства данной конструк ции преграды.

С целью проверки адекватности разработанной математической модели и возможности использования численных расчетов по гидродинамическому воздействию потока жидкости на ограждающую стену с волноотражающим козырьком проведена серия опытов с использованием экспериментального стенда, представленного на рисунке 15.

При проведении опытов использовалась модель резервуара в масштабе 1:21 без искажений (dp = 0,50 м;

hp = 0,43 м), что соответствовало геометриче ским параметрам натурного РВС-700 м3, с целью дальнейшего сравнения одно именных величин.

Исследования проводились с защитными преградами двух конфигураций и имели восьмиугольную (рисунок 19а) или прямоугольную (рисунок 19б) форму в плане размещения на стенде.

Для фиксации динамических нагрузок от волны в преградах выделялись контактные участки, соответствующие ее одному погонному метру в выбран ном масштабе моделирования, и имеющие шарнирное или неподвижное креп ление к основанию стенда (рисунок 20).

A=N A A l контактный L участок а) б) R Рисунок 19 – Принципиальная схема размещения модельного резервуара и преград узел крепления датчика силы б) а) Рисунок 20 – Принципиальная схема крепления и общий вид контактных участков преграды для измерения усилий на преграду (а) и козырек (б) При проведении экспериментов с восьмиугольной конфигурацией прегра ды угол сопряжения стенок не изменялся и составлял = 135°. Линейный пара метр N, при проведении опытов с преградой прямоугольной конфигурации, принимался как проекция части преграды в плане, и равнялся двум диаметрам модельного резервуара.

Для регистрации скоростных параметров волны, а также ее силового воз действия на преграды, использовалась электронно-измерительная система, состоящая из компьютера, преобразователя аналоговых и цифровых сигналов, предварительного усилителя электрического сигнала, тензометрического датчика силы. Принцип действия датчика силы основан на изменении электри ческого сопротивления тензорезисторов при механической деформации с реги страцией и отображением сигналов на осциллографе компьютера (рисунок 21а).

Для регистрации времени начала истечения жидкости (момента раскрытия стенок резервуара), использовалась электрическая схема, принцип действия которой основан на скачкообразном изменении напряжения вследствие меха нического размыкания электрического ключа на замковом устройстве резерву ара с регистрацией и отображением сигнала на осциллографе (рисунок 21б).

U, мВ F, Н а) б) 10 момент разгерметизации резервуара 5 0 -, с, с 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1, Рисунок 21 – Осциллограммы характерной записи датчиков при испытаниях На рисунке 21 видно, что осциллограмма характеризовалась крутым, а за частую и вертикальным фронтом. На участке спада наблюдалось наложение на основной сигнал возмущений с незначительной амплитудой, связанное с резо нансными явлениями мембраны тензодатчика вследствие пульсации гидроди намического давления на напорной поверхности защитной преграды. Анало гичный характер имели осциллограммы, полученные в последующих опытах.

По результатам обработки экспериментальных данных были получены максимальные значения волнового воздействия на контактный участок прегра ды с козырьком и участок козырька, при этом суммарная относительная погрешность измерений не превышала 10 %.

Измерение средней скорости распространения волны осуществлялось с помощью гидрометрической микровертушки цифровой модернизированной типа «МИКРО-01», принцип действия которой основан на электролитическом способе формирования импульсов. По известным значениям скоростей потока в соответствующих сечениях и на соответствующих расстояниях от резервуара при проведении натурного (см. рисунок 11) и модельного экспериментов было подтверждено предположение об автомодельности изучаемого процесса.

Далее в работе с использованием программного пакета LSDYNA выполнено численное моделирование процесса, реализующегося при разрушении молель ного резервуара, по результатам которого определены скоростные характери стики потока и параметры устойчивости преграды.

В результате расчетов получена зависимость скорости волны прорыва от расстояния до центра резервуара, графическое сравнение которой с аналогич ной зависимостью, полученной в ходе проведения модельного эксперимента, представлено на рисунке 22, при этом расхождение одноименных величин не превышало 8 %. Таким образом подтверждено, что разработанная математиче ская модель удовлетворительно описывает скоростной режим потока жидкости при разрушении модельного резервуара.

Численное моделирование гидродинамических нагрузок выполнялось для соответствующих конфигураций преград с геометрическими параметрами кон тактных участков, соответствующих физическому эксперименту.

, м/с 2, 2, Рисунок 22 – Зависимости скорости волны от расстояния 1, до резервуара:

расчетная экспериментальная 1, 0, L, м 0, 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1, На рисунке 23 в качестве примеров приведены соответствующие сеточные модели воздействия волны прорыва на участок преграды размером 0,18х0,18х0,05 м прямоугольной конфигурации и на участок преграды разме ром 0,14х0,14х0,05 м восьмиугольной конфигурации.

= 0,7 с = 0,3 с = 0,4 с 2 = 0,4 с = 0,7 с = 1,4 с 4 Рисунок 23 – Сеточная модель воздействия волны прорыва на участок преграды прямоугольной (1-3) и восьмиугольной (4-6) конфигураций На рисунке 24 представлено сравнение осциллограмм гидродинамической нагрузки на соответствующие контактные участки ограждений и отдельно на волноотражающие козырьки, полученных в результате численных расчетов и модельного эксперимента, из которых видно, что на участке спада (момент раз грузки) наблюдается небольшое амплитудное расхождение между кривыми, обусловленное креплением контактного участка к основанию стенда, допуска ющим некоторую вибрацию участка при воздействии на него потока жидкости.

Пиковые усилия во всех экспериментальных случаях различались не более чем на 10 %.

F, Н F, Н эксперимент эксперимент расчет расчет 1, с, с 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1, F, Н F, Н эксперимент эксперимент 10 расчет расчет 5 3, с 4, с 1,2 1,4 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, Рисунок 24 – Фрагменты сравнения расчетных и экспериментальных гидродинамических нагрузок на участках преград прямоугольной (1) и восьмиугольной (3) конфигураций и соответствующих им волноотражающих козырьках (2, 4) В целом, общий вид кривых подтверждает ударный характер гидродина мического воздействия, установленный физическим экспериментом с продол жительностью пикового усилия около 0,05 с. Расхождение расчетных и экспе риментальных данных не превышало 20 %, что обусловлено, в основном, кон структивными особенностями экспериментального стенда.

Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что раз работанная математическая модель адекватно описывает процесс образования волны прорыва при квазимгновенном разрушении РВС, ее распространения и воздействия на преграду с волноотражающим козырьком, что и подтверждает возможность ее использования на практике при проектировании подобных ограждений для различных типов РВС.

В шестой главе на основании результатов выполненных исследований представлена концепция оценки и снижения пожарного риска при разрушении РВС, содержащая:

- особенности квазимгновенного разрушения РВС;

- частоту разрушений РВС, сценарии возникновения и развития аварии;

- метод оценки формы и площади пролива жидкости при разрушении РВС;

- метод определения условной вероятности поражения человека волной прорыва;

- особенности определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива;



Pages:   || 2 |
 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.