Технические науки/4. Транспорт

Проф. Спиридонов Э.С., Титов О.П., Гиль А.М.

ФГБОУ ВО «Московский государственный университет путей

сообщения Императора Николая II» (МИИТ), Россия

Прогнозирование безопасности газораспределительных объектов при возникновении чрезвычайных ситуаций.

Аварии на объектах газотранспортных и газораспределительных предприятий могут быть связаны не только с разрушениями магистральных газопроводов, но и с утечками газа и его взрывным сгоранием внутри различных производственных зданий, например, в зданиях компрессорных цехов, зданиях редуцирования и измерения расхода газа на ГРС и др. Аварийные взрывы внутри зданий и помещений объектов газовой промышленности характеризуются не детонационным, а дефлаграционным типом взрывного превращения, что накладывает определенные особенности на способы прогнозирования взрывных нагрузок и на методы уменьшения последствий аварийных взрывов. Дефлаграционный взрыв – это быстрое горение газовоздушной смеси, концентрация горючего в которой находится между нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения, т.е. смеси, подготовленной к горению. При дефлаграционных взрывах, происходящих в абсолютно замкнутых объёмах, избыточное давление может достигать 700…900 кПа. Однако при взрывах внутри промышленных зданий избыточное давление не должно превышать значений 9…12 кПа, что физически лимитируется прочностью строительных конструкций.

Анализ последствий аварий, сопровождающихся взрывами газовоздушных смесей в помещениях, показывает, что зачастую имели место внешние поражающие действия, являющиеся следствием внутреннего взрыва (вторичные поражающие Факторы).

К внешним поражающим факторам можно отнести:

· ударную волну, которая формируется при разрушении (выбивании) наиболее слабых конструктивных элементов здания (заполнение оконных и дверных проёмов), в котором произошёл внутренний взрыв;

· факелы пламени, истекающие из отверстий, возникших при разрушении ограждающих конструкций (как правило, через разрушенные оконные и дверные проёмы);

· дефлаграционный взрыв в атмосфере, подготовленной к горению сильно турбулизированной смеси, вытесненной избыточным давлением из помещения (реализуется только при взрыве внутри помещения переобогащённой смеси).

Как показывает анализ, воздушная ударная волна (ВУВ), возникающая при разрушении ограждающих конструкций, имеет достаточно малую интенсивность, но обладает наибольшей «дальнобойностью».

Рассмотрим методику определения параметров ВУВ, образующихся при разрушении ограждающих конструкций. При внутреннем взрыве в помещении создаётся избыточное давление. При превышении значения давления несущей способности (прочности) какого-либо конструктивного элемента ограждающей конструкции происходит его выдавливание (выбивание). Из-за различий в давлениях внутри и снаружи помещения образуется разрыв газодинамических параметров на контактной поверхности между средой внутри помещения и невозмущённым воздухом окружающей атмосферы. Поверхность возникшей ударной волны быстро принимает форму полусферы, опирающейся на стенку. Начальные параметры ВУВ в момент разрушения (выбивания) какого-либо конструктивного элемента могут быть приближённо определены из решения

Уравнения (1) относительно М=

где D- скорость распространения фронта ВУВ, м/с; - скорость распространения звука в воздухе, равная 340 м/с; = + ∆ – полное давление в помещении, кПа; ∆ – избыточное давление в помещении, кПа; – атмосферное давление 101,3 кПа; k – показатель адиабаты воздуха 1,4; – показатель адиабаты вещества в помещении (для продуктов взрыва равен 1,28); – скорость звука в помещении.

Если из помещения истекают продукты сгорания газа, температура которых около 1600 °К, то = 770 м/с., в противном случае .

Значение избыточного давления на внешней границе разрушающегося элемента ∆, и скорость потока за ВУВ – U – определяются по формулам:

(2)

Следует подчеркнуть, что избыточное давление, полученное при решении (1), соответствует случаю, когда размеры выбиваемой конструкции сопоставимы с размерами сечения помещения. Например, выбивается окно, площадь которого сопоставима с площадью стеновой панели помещения.
Для определения величины нагрузки в точке, расположенной на расстоянии R от разрушенного элемента, используется зависимость:

(3)
Где ; - характерный линейный размер выбитого элемента;
m – показатель степени, зависящий от амплитуды ВУВ (при малых амплитудах m=1)
Для определения величины нагрузки на плоские поверхности, перпендикулярные направлению распространения ударной волны, например, стены здания, необходимо учесть отражение ВУВ. С учётом отражения нагрузка будет составлять:

, (4)

Результаты расчётов показывают, что взрывы газа в помещениях КС и ГРС не представляют серьёзной опасности для пунктов управления, оборудования и людей, находящихся за пределами этих помещений.
Размеры зоны негативного воздействия, формирующейся в ходе реализации одного из возможных (физически обоснованных) вариантов развития аварии, определяются (при прочих равных условиях) изначально задаваемым пороговым значением физической характеристики U соответствующего поражающего фактора, «фиксирующим» границу зоны. В качестве можно, в принципе, принимать либо допустимые (санитарными или строительными нормами) уровни воздействия поражающего фактора для рассматриваемого вида реципиентов, либо значения , соответствующие различным степеням заданного вида ущерба, возникающего с определённой условной вероятностью P. l) (здесь – событие, состоящее в возникновении ущерба в точке внутри зоны негативного воздействия при условии - «захвата» этой точки зоной

Вероятность возникновения ущерба, как правило, выражают функцией, описывающей закон нормального распределения вероятностей:

(5)

в которой фигурирует так называемая «пробит-функция» [Pr(D)]:

(6)

где a,b – эмпирические коэффициенты, отражающие специфику опасности данного поражающего фактора и восприимчивость к нему данной категории реципиентов;
D – доза (интегральная характеристика) негативного воздействия за время T, полученная реципиентом и зависящая в общем случае как от значения U(т) в данной точке, так и от наличия и эффективности систем защиты, адекватности поведения и т.п. Пробитфункция представляет собой случайную величину с математическим ожиданием 5 и средним квадратичным отклонением 1.
Необходимо отметить, что в соответствии с классической методологией анализа риска, значение функции обычно трактуется как доля поражённых от их общего числа в точке «М». Однако при определении индивидуального риска в точке территории, трактовка которого предполагает нахождение в исследуемой точке «условно» только одного реципиента, в течение всего рассматриваемого промежутка времени под значением функции риска (поражения) целесообразней подразумевать вероятность нанесения определённого ущерба этому «стандартному» представителю из выделенной категории реципиентов.

Термическое воздействие на человека при возникновении пожаров на газопроводах или иных объектах связано с прогревом и последующими биохимическими изменениями верхних слоёв его кожного покрова. По данным Б. Беттнера человек ощущает сильную («едва переносимую») боль, когда температура верхнего слоя кожного покрова (~0,1 мм) повышается до плюс 45˚С. Установлено, что время достижения «порога боли» (t, сек.) связано с интенсивностью теплового воздействия (q, кВт/) зависимостью:

(7)

Степень повреждения кожи при воздействии высоких температур зависит от величины и длительности теплового воздействия (в виде излучения). При относительно слабом тепловом излучении будет повреждаться только верхний слой (эпидермис) на глубину ~1мм. Более интенсивный тепловой поток может привести к поражению не только эпидермиса, но и дермы (нижний слой), а излучение ещё большей интенсивности будет воздействовать и на подкожный слой. Эти три уровня качественно соответствуют принятым категориям ожогов I,II и III степеней. Известно, что при длительном тепловом воздействии интенсивностью менее 1,7 кВт/ боли не ощущается. При достижении поверхностным покровом кожи температуры плюс 55˚С появляются волдыри. По данным А. Мента тяжесть ожога зависит при этом от количества энергии, поглощённой кожным покровом после достижения этой температуры. Если поглощённая энергия равна 42 кДж/, воздействие характеризуется умеренным ожогом II степени, 84 кДж/ – тяжёлым ожогом II степени, 162 кДж/ - тяжёлым ожогом III степени.

Важным показателем является такой уровень теплового воздействия на человека, при котором становится вероятным смертельный исход. По данным К. Мьюдана здоровые и взрослые люди и подростки выживают, если ожоги II и III степени охватывают менее 20% поверхности тела (процентное соотношение открытых участков тела: голова – 7, руки от кисти до плеча – 14, кисти рук – 5). Выживаемость резко снижается даже при интенсивной медицинской помощи, если ожоги II и III степени составляют 50% и более от поверхности тела.

Федеральным стандартом США допускается кратковременное тепловое воздействие на человека мощностью до 5 кВт/. При таком воздействии ожоги II степени могут возникнуть примерно через 60-70сек. Уровень теплового воздействия, при котором за этот же промежуток времени с 50% вероятностью возможен летальный исход, соответствует примерно 10-12 кВт/.
Коэффициенты пробит-функций термического поражения различной степени тяжести даны в табл. 1. При этом предполагалось, что для одетых людей доля незащищённой поверхности кожи составляет примерно 20%.

Таблица 1.

Степени опасности поражающих факторов

Коэффициенты	Мера поражения
	Ожог		Смерть
	I степени	II степени	Без одежды	В одежде
a	-39,83	-43,14	-36,38	-37,23
b	3,0186	3,0188	2,56	2,56

Воспламенение в окружающем пространстве различных веществ и материалов под действием термической радиации или при прямом огневом воздействии от пожара на каком-либо технологическом объекте может в принципе вызывать переход аварии в стадию каскадного развития. Следует также учитывать, что согласно имеющейся статистике распространение и развитие пожаров в производственных помещениях происходило в основном по материалам, сырью и технологическому оборудованию (~40%), а также по сгораемым строительным конструкциям (~36%). Среди последних наибольший интерес представляют древесина и пластики.
Для воспламенения твёрдого материала необходимо создать над его поверхностью горючую парогазовую смесь продуктов пиролиза с воздухом. Этот процесс зависит как от скорости поступления летучих продуктов разложения, так и от скорости их аэродинамического уноса из зоны действия источника зажигания.

Для большинства материалов зависимость времени воспламенения от величины теплового потока можно описать в виде:

(8)

Где A и n – константы для конкретного вещества (для древесины :A=4360, n=1.61).

В табл. 2 представлены значения критической интенсивности облучения баков (резервуаров) с нефтепродуктами, нагревание которых до

определённой температуры (самовоспламенения их паров) способно привести к взрыву сосуда.

Таблица 2

Критические интенсивности облучения резервуаров с нефтью

Значения критической интенсивности облучения резервуаров.
Время действия, мин	5	10	15	20	>30
Допустимая интенсивность облучения, кВт/м^2 *)	34,9	27,6	24,8	21,4	19,5

*) для нефтепродуктов с температурой самовоспламенения ≤235°С при степени черноты поверхности резервуара 0,35.

Опасность термического воздействия на несущие строительные конструкции связана со значительным снижением их прочностных характеристик при нагревании. Степень устойчивости сооружения к тепловому воздействию зависит от предела огнестойкости несущих элементов его конструкций, характеризуемого временем, по истечении которого в условиях пожара происходит потеря несущей способности. Критическая температура для стальных балок, ферм и перегонов находится обычно в пределах 470÷500°С. Для металлических сварных и жёстко защемлённых конструкций критическая температура значительно ниже и лежит в пределах 300÷350°С.

Список используемой литературы
1. Мазур И.И., Иванцов О.М., Молдаванов О.И. Конструктивная надёжность и экологическая безопасность трубопроводов. М., «Недра» 1990.
2. Шумайлов А.С., Гумеров А.Г., Молдаванов О.И. Диагностика магистральных трубопроводов М., «Недра» 1992.
3. Харионовский В.В. Надёжность и ресурс конструкций газопроводов. М., «Недра», 2000.

4. Шоломицкий А.Г. «Теория экологического риска», Издательство ГУ ВШЭ, М., 2005.