Шаханова С. С.
Моделирование сценариев возможных
аварийных ситуаций на нефте - газопроводах
Математическое
моделирование как метод исследования, в настоящее время получил широкое
распространение и позволяет спрогнозировать возможные ЧС при транспортировке
нефте –газопродуктов. Сочетая достоинства теоретических и экспериментальных
методов исследования, математическое моделирование позволяет не только
исследовать явления, недоступные физическому моделированию (в силу сложности
или невозможности технической реализации), но и обобщать результаты на основе
многократного использования модели и делать прогнозы о возможном поведении
процесса при изменении определяющих параметров (численный эксперимент).
Моделирование вероятности возникновения пожара на насосной станции
перекачки нефти
Пожар на насосной станции перекачки нефти (или
нефтепродуктов) может произойти в результате одновременного возникновения
событий:
- пролив перекачиваемой жидкости на поверхность
пола станции насосной с образованием паров горючей смеси;
- возникновение источников зажигания,
температура которых достаточна для воспламенения горючих паров.
Вероятность первого события из условия
эксплуатации определяется по формуле:
Q(ГС)=Q(РК)+Q(ОН), (1)
где Q(РК) – вероятность
разрушения гидравлических конструкций, работающих под давлением (фланцевые
соединения, корпуса насосов или аппаратуры):
Q(РК)=1-exp(-λ*τ), (2)
где λ – интенсивность наступления события отказов (разрушения)
гидравлических конструкций; по данным [1,2] изменяется в пределах от 0,083·10-6
до 0,27·10-6, в среднем 0,43·10-6 , 1/час;
τ = 8760 – количество часов
в году – расчетном периоде безотказной работы:
Q(РК)=1-exp(-0,43*10-6*8760=1,5*10-3
Q (OH)
– вероятность отказа поршневого насоса перекачки нефтепродуктов (нарушения
клапанов регуляторов давления, заклинивание поршней, разгерметизация корпуса и
т.д) определяется выражением:
Q(OH)=1-exp(λO.H*τ),
(3)
где λO.H
- интенсивность отказа поршневого насоса, по данным
вышеуказанных работ принимается в среднем 0,43·10-6 1/час. Расчетная
величина вероятности отказа насоса:
Q(OH)=1-exp(-0,43*8760=
3,8·10-3
Вероятность разрушения гидравлических
конструкций в насосной станции перекачки нефти и образования горючей смеси:
Q(ГС)1,5*10= + 3,8·10-3
= 5,3·10-3
Вероятность возникновения источника зажигани,
температура которой достаточна для воспламенения паров нефти (нижний предел
порядка 311ºК) может определяться по формуле:
Q(ИЗ)=Q(КЗ)+Q(СЭ)*Q(ОЗ), (4)
где Q(КЗ) – вероятность
наступления события короткого замыкания высокого напряжения между проводами или
на корпус насоса, определется
Q(КЗ)=1-exp(-λк.з*τ) ,
(5)
λк.з - интенсивность отказов
электрооборудования по причине короткого замыкания, принимаемая равной 0,38·10-6
,1/час.
Тогда вероятность наступления события короткого
замыкания составит
Q(КЗ)=1-exp
(0,36-6*8760) = 3,3·10-4
Вероятность накопления статического
электричества и появления в результате искр вомпламенения составляет (по исследованиям [2]) порядка Q(СЭ)=0,15·10-2 .
Вероятность отказа системы защитного заземления
(повышение переходного сопротивления, отказ реле защиты и т.д.)
Q(ОЗ)=1-exp(λо.з*τ), (6)
λо.з - интенсивность отказов
системы защитного заземления по исследованиям [48] составляет в среднем 0,12·10-6
1/час. Тогда вероятность отказа защитного заземления будет равна:
Q(ОЗ)=1-exp
(-0,12-6*8760) = 1,05·10-4.
Вероятность возникновения источника зажигания:
Q(ИЗ)=
3,3·10-4 + 0,13·10-4 = 4,43·10-4.
Тогда, расчетная вероятность возникновения
пожара насосной станции перекачки
нефтепродуктов, составит:
Q(П.нс)=Q(ГС)*Q(ИЗ) = 5,3·10-3
· 4,43·10-4 = 23,5·10-7 = 0,23·10-5.
При транспортировке нефте-газопродуктов по
магистральным трубопроводным сетям возможны возникновения техногенных
чрезвычайных ситуаций, связанных с разрушением гидравлических сосудов и
аппаратов и одновременным возникновением источников воспламенения паров
легковоспламеняющихся жидкостей или газов.
Моделирование взрыва
газовоздушной смеси
Вероятность опасного воздействия на человека
последствий взрыва газовоздушной смеси в результате нарушения герметичности
труб газопровода и истечения газа изучались на численной имитационной модели.
Реализация численной модели выполнена по программе на ПК, разработанной в среде
программирования DELPHI.
Причиной разгерметизации газопровода могут быть
нарушение сварных швов, места врезки запорно-регулирующей аппаратуры, коррозийное
повреждение стенок трубы, механические повреждения и т. п.
Скорость истечения природного газа (это более
90% метана) из участка нарушения герметичности трубы может быть определена по
упрощенной формуле
Ω=4,2* √р, м/с, (7)
где 
давление в магистральной трубе, мм. вод. ст.
Объемный расход истечения газа через местное
повреждение:
Q=ω*F, м3/с (8)
При избыточном давлении газа в магистральной
трубе порядка 10 ати (10000 мм вод ст) линейная скорость истечения газа или
жидкости ω= 420 м/с. Если
повреждение имеет площадь порядка S 0,0012 – 0,005 м2
(от 12 до 50 см2 - при небольших повреждениях) произвольной формы
(круглой, щелевидной и т.п.), объемный расход истечения газа будет в пределах
0,5 – 2,0 м3/с.
Дальнейшие расчеты на численной компьютерной
модели выполнены для этих пределов истечения газа.
В соответствие с Техническим регламентом [1],
условная вероятность Qвп поражения человека
избыточным давлением при сгорании (взрыве) газовоздушных смесей на расстоянии r от эпицентра
определяется следующим образом:
1) вычисляется избыточное
давление ΔР по формуле:
∆P=P0*(0,8*mnp/r+3*m0,66np/r2+5*mпр/r3, (9)
где
P0-атмосферное давление,
кПА ( длпускается принимать равным 101 кПА);
r – расстояние от
геометрического центра газовоздушного облака, м;
mпр – приведенная масса
газа, определяется по формуле:
mпр = (Qсг/Q0)·m·Z,
(10)
где Qсг – удельная теплота
сгорания газа, Дж/кг;
Q0 – константа, равная 4,52·106 Дж/кг;
Z –
коэффициент участия горючих газов в горении (взрыве), допукается принимать
равным 0,1;
m –
масса горючих газов, поступивших в результате аварии в окружающее пространство,
кг.
2) Величина импульса волны
давления определяется по формуле:
i=123* m0,66np /r (11)
3) Исходя из величины избыточного давления ΔР и импульса
взрывной волны i определяется величина Pr по формуле:
Pr=5*0,26ln(V) (12)
V=(17500/∆P)8,4+(290/i)9,3 (13)
где ΔР – избыточное давление, Па;
i – импульс волны давления, Па·с.
В соответствии с таблицей 4 по величине Pr определяется условная вероятность поражения человека от
воздействия ударной волны взрыва в результате аварии.
Таблица 1
Значение условной вероятности поражения
человека в зависимости от величины Pr
|
Условная
вероятность поражения,% |
Ведичина Pr |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
||
|
0 |
- |
2.67 |
2.95 |
3.12 |
3.25 |
3/36 |
3.45 |
3.52 |
3.66 |
|
|
10 |
3.72 |
3.77 |
3.82 |
3.90 |
3.92 |
3.96 |
4.01 |
4.05 |
4.12 |
|
|
20 |
4.16 |
4.19 |
4.23 |
4.26 |
4.29 |
4.33 |
4.36 |
4.39 |
4.45 |
|
|
30 |
4.48 |
4.50 |
4.53 |
4.56 |
4.59 |
4.61 |
4.64 |
4.67 |
4.72 |
|
|
40 |
4.75 |
4.77 |
4.80 |
4.82 |
4.87 |
4.90 |
4.93 |
4.95 |
4.97 |
|
|
50 |
5.00 |
5.03 |
5.05 |
5.08 |
5.10 |
5.13 |
5.15 |
5,18 |
5.23 |
|
|
60 |
5.25 |
5.28 |
5.31 |
5.33 |
5.36 |
5.39 |
5.41 |
5.44 |
5.50 |
|
|
70 |
5.52 |
5.55 |
5.58 |
5.61 |
5.64 |
5.67 |
5.71 |
5.74 |
5.81 |
|
|
80 |
5.84 |
5.88 |
5.92 |
5.95 |
5.99 |
6.04 |
6.08 |
6.13 |
6.23 |
|
|
… |
0.00 |
0.10 |
0.20 |
0.30 |
0.40 |
0.50 |
0.60 |
0.70 |
0.90 |
|
|
99 |
7.33 |
7.37 |
7.41 |
7.46 |
7.54 |
7.58 |
7.65 |
7.75 |
8.09 |
|
Таблица 2
Результаты
моделирования взрыва и вероятности поражения V = 0,5 м3/с
|
Время, t,
мин. |
Параметры
взрыва |
Расстояние от места
взрыва R, м. |
||||
|
5 |
10 |
15 |
20 |
50 |
||
|
1 |
Избыточное
давление, МПа |
0,240 |
0,60 |
0,030 |
0,019 |
0,006 |
|
Вероятность
поражения |
0,18 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
2 |
Избыточное
давление, МПа |
0,402 |
0,092 |
0,044 |
0,027 |
0,008 |
|
Вероятность
поражения |
0,57 |
0,07 |
0,001 |
0 |
0 |
|
|
5 |
Избыточное
давление, МПа |
0,834 |
0,170 |
0,076 |
0,045 |
0,011 |
|
Вероятность
поражения |
0,95 |
0,49 |
0,15 |
0,04 |
0 |
|
|
10 |
Избыточное
давление, МПа |
1,491 |
0,281 |
0,119 |
0,068 |
0,016 |
|
Вероятность
поражения |
0,97 |
0,86 |
0,54 |
0,28 |
0,01 |
|
|
15 |
Избыточное
давление, МПа |
2,113 |
0,382 |
0,157 |
0,088 |
0,019 |
|
Вероятность
поражения |
1,0 |
0,96 |
0,88 |
0,53 |
0,02 |
|
|
20 |
Избыточное
давление, МПа |
2,718 |
0,478 |
0,192 |
0,105 |
0,022 |
|
Вероятность
поражения |
1,0 |
0,98 |
0,89 |
0,70 |
0,045 |
|
Таблица
3
Результаты
моделирования взрыва и вероятности поражения, V = 1.0 м3/с
|
Время, t,
мин. |
Параметры
взрыва |
Расстояние от метса
взрыва R, м. |
|||
|
5 |
10 |
15 |
20 |
||
|
1 |
Избыточное
давление, МПа |
0,402 |
0,092 |
0,044 |
0,027 |
|
Вероятность
поражения |
0,57 |
0,07 |
0 |
0 |
|
|
2 |
Избыточное
давление, МПа |
0,796 |
0,146 |
0,066 |
0,040 |
|
Вероятность
поражения |
0,85 |
0,35 |
0,09 |
0,02 |
|
|
5 |
Избыточное
давление, МПа |
1,491 |
0,281 |
0,119 |
0,63 |
|
Вероятность
поражения |
0,907 |
0,86 |
0,54 |
0,28 |
|
|
10 |
Избыточное
давление, МПа |
2,718 |
0,478 |
0,192 |
0,106 |
|
Вероятность
поражения |
1,0 |
0,98 |
0,89 |
0,70 |
|
|
15 |
Избыточное
давление, МПа |
3,91 |
0,660 |
0,257 |
0,139 |
|
Вероятность
поражения |
1,00 |
0,998 |
0,970 |
0,880 |
|
|
20 |
Избыточное
давление, МПа |
5,04 |
0,834 |
0,319 |
0,170 |
|
Вероятность
поражения |
1,00 |
1,00 |
0,99 |
0,95 |
|
Таблица 4
Результаты
моделирования взрыва и вероятности поражения, V = 2,0 м3/с
|
Время, t,
мин. |
Параметры
взрыва |
Расстояние от метса
взрыва R, м. |
||||
|
5 |
10 |
15 |
20 |
50 |
||
|
1 |
Избыточное
давление, МПа |
0,696 |
0,146 |
0,060 |
0,040 |
0 |
|
Вероятность
поражения |
0,90 |
0,35 |
0,09 |
0,02 |
0 |
|
|
2 |
Избыточное
давление, МПа |
1,234 |
0,238 |
0,102 |
0,060 |
0,014 |
|
Вероятность
поражения |
0,992 |
0,770 |
0,400 |
0,170 |
0 |
|
|
5 |
Избыточное
давление, МПа |
2,718 |
0,478 |
0,192 |
0,106 |
0,022 |
|
Вероятность
поражения |
1,00 |
0,96 |
0,89 |
0,70 |
0,05 |
|
|
10 |
Избыточное
давление, МПа |
5,04 |
0,834 |
0,319 |
0,170 |
0,031 |
|
Вероятность
поражения |
1,0 |
1,0 |
0,99 |
0,95 |
0,28 |
|
|
15 |
Избыточное
давление, МПа |
|
1,168 |
0,436 |
0,237 |
|
|
Вероятность
поражения |
|
1,0 |
1,0 |
0,99 |
|
|
|
20 |
Избыточное
давление, МПа |
|
1,490 |
0,546 |
0,281 |
0,039 |
|
Вероятность
поражения |
|
1,0 |
1,0 |
0,997 |
0,530 |
|
В
таблицах 1, 2, 3, 4 приведены результаты численного моделирования сценария
возможного взрыва газовоздушной смеси и вероятности поражения обслуживающего
персонала в результате разгерметизации трубопровода при транспортировке газа
или нефти (попутный газ).
Как следует из таблиц, моделировались ситуации при объемном истечении
газа 0,5 – 1,0 – 2,0 м3/с; время от момента разрушения трубопровода
до момента включения запорной аппаратуры (автоматически или вручную) от 1 до 20
минут: расстояние нахождения человека от места взрыва от 5 до 50 метров.
Результаты расчетов показывают, что по теоретичеким разработкам,
приведенным в Техническом регламенте по пожарной безопасности, можно
моделировать опасность ситуации взрыва и оценить вероятность поражения человека.
Принимая, что человек может получить травмы при величине избыточного
давления от 0,2 ати (0,02 МПа), можно расчетным путем установить безопасное
расстояние от места возможного взрыва и допустимое время закрытия запорной
аппаратуры исходя из характера разгерметизации и объемного расхода истечения
газа.
На рисунках 1 – 12 приведена динамика изменения избыточного давления
ударной волны взрыва и условной вероятности поражения человека.
Рисунок 1 - График зависимости условной
вероятности поражения персонала при взрыве газовоздушной смеси от расстояния до
эпицентра взрыва (τ = 1 мин) Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с, ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 2 - График
зависимости условной вероятности поражения персонала при взрыве газовоздушной
смеси от расстояния до эпицентра взрыва
(τ = 2 мин) Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с, ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 3 - График
зависимости условной вероятности поражения персонала при взрыве газовоздушной
смеси от расстояния до эпицентра взрыва
(τ = 5 мин), Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с, ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 4 - График
зависимости условной вероятности поражения персонала при взрыве газовоздушной
смеси от расстояния до эпицентра взрыва (τ
= 10 мин) Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с,
ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 5 - График
зависимости условной вероятности поражения персонала при взрыве газовоздушной
смеси от расстояния до эпицентра взрыва
(τ = 15 мин) Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с, ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 6 - График
зависимости условной вероятности поражения персонала при взрыве газовоздушной
смеси от расстояния до эпицентра взрыва (τ
= 20 мин) Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с,
ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 7 - График
зависимости условной вероятности поражения персонала при взрыве газовоздушной
смеси от времени закрытия запорных устройств трубопровода (R = 10 м) Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с,
ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 8 - График
зависимости условной вероятности поражения персонала при взрыве газовоздушной
смеси от времени закрытия запорных устройств трубопровода (R = 15 м), Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с,
ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 9 - График
зависимости избыточного давления во фронте УВВ при взрыве газовоздушной смеси
от расстояния до очага взрыва (τ
= 5 мин)
Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с, ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 10- График
зависимости избыточного давления во фронте УВВ при взрыве газовоздушной смеси
от расстояния до очага взрыва (τ
= 20 мин)
Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с, ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 11 - График
зависимости избыточного давления во фронте УВВ при взрыве газовоздушной смеси
от времени закрытия запорных устройств трубопровода (R = 5м) Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с,
ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Рисунок 12- График
зависимости избыточного давления во фронте УВВ при взрыве газовоздушной смеси
от времени закрытия запорных устройств трубопровода (R = 15м)
Ряд 1 – Q = 0,5 м3/с, ряд 2 - Q = 1,5 м3/с, ряд 3 - Q = 2,0 м3/с
Анализ данных рисунков
показывает, что динамика
изменения избыточного давления ударной волны взрыва и условной вероятности
поражения человека, при взрыве газовоздушной смеси, зависит от расстояния до
эпицентра взрыва, от времени закрытия
запорных устройств трубопровода, от расстояния до очага взрыва.
Возникающие при этом пожары и взрывы,
вероятность их наступления, последствия на обслуживающий персонал могут быть
предварительно рассчитаны на основании теоретических и экспериментальных
исследований специалистов и ученых в этой области.
Список использованной литературы:
1. Технический регламент «Общие требования к
пожарной безопасности» (Утверждены Постановлением Правительства РК от
16.01.2009 г №14)
2. ГОСТ 12.1.004-91 Пожарная безопасность. Общие
требования