автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Пожарный риск при квазимгновенном разрушении нефтяного резервуара

Швырков Сергей Александрович

ПОЖАРНЫЙ РИСК ПРИ КВАЗИМГНОВЕННОМ РАЗРУШЕНИИ НЕФТЯНОГО РЕЗЕРВУАРА

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль, технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 6 СЕН 2013

Москва -2013

005533812

Швырков Сергей Александрович

ПОЖАРНЫЙ РИСК ПРИ КВАЗИМГНОВЕННОМ РАЗРУШЕНИИ НЕФТЯНОГО РЕЗЕРВУАРА

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль, технические науки)

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:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

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

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

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 противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан «10» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Пузач Сергей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основной направленностью современных подходов к обеспечению пожарной безопасности, базирующихся на концепции «приемлемого риска», является снижение вероятности гибели людей. Это предполагает выполнение комплекса работ, связанных с анализом риска возможных аварий, при этом вопрос научной обоснованности и адекватности расчетных методик является одним из ключевых в обеспечении безопасности людей. Отсутствие или пренебрежение научными основами приводит, с одной стороны, к экономически неоправданным затратам на обеспечение пожарной безопасности, с другой - к серьезным упущениям в отношении реальной опасности аварийной ситуации на объекте.

Однако, несмотря на повышенное внимание исследователей к данной проблеме и достаточно большое количество, как отечественных (Брушлинский H.H., Волков О.М., Сучков В.П., Шебеко Ю.Н., Болодьян И.А., Гордиенко Д.М., Елохин А.Н, Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев A.A., Лисанов М.В., Печеркин A.C., Сидоров В.И., Измалков В.И., Акимов В.А., Козлитин A.M. и др.), так и зарубежных (Химмельблау Д., Хенли Э.Дж., Кумамото X., Маршалл В., Alle В., Morris М., Miles A., Cooper J., Wolski A., Dembsey N., Meacham В., 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 квазимгновенным разрушением вертикального стального резервуара с нефтью или нефтепродуктом (далее РВС или нефтяной резервуар).

Отличительными признаками такой аварии являются полная потеря целостности корпуса РВС и выход в течение короткого промежутка времени (не более 10-15 с) на прилегающую территорию всей хранящейся в резервуаре жидкости в виде мощного потока - волны прорыва. При этом волна характеризуется резкой нестационарностью, наличием фронта в виде бора (вала), движущегося со значительной скоростью и обладающего большой разрушительной силой.

В этой связи следует отметить, что к основным сооружениям по ограничению аварийного разлива жидкостей в резервуарных парках на протяжении последних ста лет относятся земляные обвалования или ограждающие стены, расчет которых производится только на гидростатическое удержание пролитой жидкости. Анализ последствий разрушений РВС, выполненный в работе, убедительно свидетельствует о том, что такие преграды не способны удержать поток, движущийся по законам гидродинамики, в результате чего подобные аварии неоднократно приводили к травмам и гибели людей, значительному материальному и экологическому ущербам.

Так, например, в результате образования и воздействия горящей волны прорыва при разрушении РВС-4600 с нефтью на Уфимском НПЗ (Башкирия, 1953 г.) погибли 22 сотрудника пожарной охраны и 2 работника объекта. В результате образования горящего потока бензина при разрушении РВС-700 на «Каменской» нефтебазе (Ростовская область, 1961 г.) с выходом его за пределы объекта и распространением на жилой сектор погиб 41 человек. В результате воздействия волны прорыва при разрушении РВС-20000 с водой на Невинномысской ГРЭС (Ставропольский край, 1985 г.) полностью разрушено железобетонное ограждение мазутного хозяйства объекта, элементы которого, подхваченные потоком воды, повредили соседний резервуар с мазутом, который попал в р. Барсучки и р. Кубань, что привело к большому экологическому ущербу. В результате взрыва паров нефти в РВС-20000, разрушения резервуара с образованием и воздействием горящей волны в резервуарном парке линейной производственно-диспетчерской станции «Конда» (Тюменская область, 2009 г.) погибли 3 и получили тяжелые травмы 4 сотрудника пожарной охраны, более 20 человек, в том числе из персонала станции, были контужены. Только прямой ущерб от аварии составил более 1,5 млрд. руб.

Анализ дополнительных способов защиты от разлива жидкости в резерву-арных парках в виде рвов, канав, амбаров и др., устраиваемых за основными сооружениями, показал, что на практике они не нашли широкого применения, что обусловлено, в первую очередь, необходимостью выделения для их обустройства значительной части производственной территории. В частности, сооружение таких преград для резервуарных парков в городских условиях, является практически невыполнимой задачей. Такая же проблема возникает и при обеспечении безопасности морских терминалов, расположение которых сопряжено, как правило, с минимальными расстояниями до акваторий, а также особенностями грунтового покрытия (слабые и насыпные грунты).

В результате анализа нормативных документов по оценке пожарного риска на производственных объектах выявлено, что волна прорыва не рассматривается в качестве опасного фактора аварийной ситуации, при этом отсутствуют данные как по частоте разрушений РВС, так и по статистическим вероятностям реализации сценариев развития рассматриваемой аварийной ситуации. Кроме этого, не приводятся методы оценки формы площади пролива жидкости при разрушении РВС, а также параметров воздействия волны прорыва на людей и противопожарные преграды, что не позволяет производить количественный анализ пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС.

Таким образом, анализ состояния проблемы и уточнение понятийного аппарата, позволили сформулировать общую концепцию исследования: о развитии методологических основ оценки пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС, как одной из наиболее пожароопасных ситуаций на объектах топливно-энергетического комплекса (ТЭК), а также средств его снижения за счет разработки и применения ограждающей стены с волноотра-жающим козырьком, устойчивой к воздействию волны прорыва.

Цель работы - развитие методов оценки и средств снижения пожарного риска при квазимгновенном разрушении нефтяного РВС.

Основные задачи исследования:

- выполнить анализ статистических данных разрушений РВС, на основании которого разработать логическое дерево событий с определением его частотных и вероятностных характеристик, установить коэффициенты разлития и параметры формы площади пролива жидкости, скорректировать метод определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива с учетом направления разрушения РВС;

- разработать математическую модель квазимгновенного разрушения РВС, на основании численного решения которой получить зависимости для определения параметров силового воздействия волны прорыва на человека и предложить метод определения условной вероятности поражения человека волной прорыва;

- произвести сравнение полученных зависимостей по определению площади пролива и параметров силового воздействия волны прорыва на человека с результатами натурного эксперимента при разрушении РВС;

- сформулировать принципы разработки ограждений РВС для полного удержания волны прорыва, на основании которых предложить вариант конструктивного исполнения преграды — ограждающую стену с волноотражающим козырьком;

- разработать экспериментальный стенд и методику проведения опытов по удержанию волны прорыва предложенной конструкцией преграды, сравнить полученные данные с результатами численного моделирования;

- разработать методы определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком и динамических нагрузок на ее конструктивные элементы от воздействия волны прорыва;

- предложить концепцию оценки потенциального пожарного риска и его снижения за счет применения ограждающей стены с волноотражающим козырьком при квазимгновенном разрушении РВС.

Объектом исследования являлись гидродинамические процессы, характеризующие пожарную опасность квазимгновенного разрушения РВС, и практическое использование их основных закономерностей для решения проблемы снижения пожарного риска. В качестве предмета исследования рассматривались различные ограждения РВС и их влияние на величину пожарного риска.

Методы исследования. Основу теоретических исследований составляли методы теории вероятностей и математической статистики, теории подобия и математического моделирования, декомпозиции развития возможных аварийных ситуаций, вьивления закономерностей, описания, обобщения.

Моделирование и расчеты, связанные с решением систем уравнений гидродинамики и уравнений деформируемого твердого тела в связанной пространственной постановке, проведены с использованием современного программного комплекса для инженерных расчетов ПЮША, а также подтверждены

результатами экспериментальных исследований, обработка которых производилась в математической системе 5.0. Расчеты, связанные с количественной оценкой пожарного риска при разрушении РВС, проведены с использованием математической системы Ма(Исас1-14.

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 коэффициенты разлития и параметры формы площади пролива жидкости при разрушении РВС, скорректирован метод определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива с учетом направления разрушения РВС.

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 человека волной прорыва.

3. На основе результатов натурного эксперимента по разрушению РВС-700 с водой подтверждены характер формирования волны прорыва и ее взаимодействие с ограждением, а также адекватность полученных зависимостей по определению площади пролива и параметров силового воздействия волны прорыва.

4. Сформулированы принципы разработки ограждений РВС для полного удержания волны прорыва, на основании которых предложен вариант конструктивного 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 ограждающей стены с волноотражающим козырьком.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные методы позволяют производить расчетное определение величин пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС, а также получить исходные данные, необходимые для разработки проектной документации на строительство ограждающей стены с волноотражающим козырьком.

Применение ограждающей стены направлено на снижение пожарного риска, а также количества сил и средств, необходимых для ликвидации гидродинамической аварии и возможного пожара при разрушении РВС.

Материалы диссертации реализованы при разработке:

- проектной документации на строительство ограждений с волноотражаю-щим козырьком в резервуарных парках площадок «Шесхарис» и «Грушовая». Новороссийск: ОАО «Черномортранснефть», 1996-2010 гг.;

- нормативного документа по пожарной и промышленной безопасности: «Методические указания. Расчетное определение параметров аварийного разлива нефти и нефтепродуктов при квазимгновенном разрушении РВС». № П4-05 С-004 М-001. М.: «НК «РОСНЕФТЬ», 2006 г.;

- нормативного документа по пожарной и промышленной безопасности: «Методические указания. Расчетное определение параметров защитной преграды от волны прорыва, образующейся при квазимгновенном разрушении РВС». № П4-05 С-004 М-002. М.: «НК «РОСНЕФТЬ», 2006 г.;

- нормативного документа по пожарной безопасности: «Специальные технические условия на систему противопожарной защиты проектируемого участка четвертого транспортного кольца вблизи резервуарного парка мазутного хозяйства ТЭЦ-11 г. Москвы». ТУ № 06-004. М.: ОАО «Мосинжпроект», 2006 г.;

- нормативного документа по пожарной безопасности: «Специальные технические условия на решения проекта «Антипинский НПЗ. II пусковой комплекс». СТУ № 72-27-08. Тюмень: ООО «ИКЦ «Промтехбезопасносгь», 2008 г.;

- нормативного документа по пожарной безопасности: «Ограждения резервуаров. Требования пожарной безопасности» ГОСТ Р 53324-2009. М.: ВНИИПО МЧС России, 2009 г.;

- нормативного документа по пожарной безопасности: «Специальные технические условия по обеспечению пожарной безопасности Комплекса по перевалке и фракционированию стабильного газового конденсата и продуктов его переработки мощностью 6 млн. тонн в год в Морском торговом порту Усть-Луга». ТП № 652-1-СТУ. Санкт-Петербург: ООО «Пожнефтехим», 2011 г.;

- проектной документации на строительство защитных ограждений групп резервуаров в составе Комплекса ОАО «НОВАТЭК» в Морском торговом порту Усть-Луга. ТП № 652-1-РД. Кингисепп: ОАО «НОВАТЭК-Усть-Луга», 2011 г.;

- проектной документации на строительство защитных ограждений групп резервуаров в составе Комплекса наливных грузов ОАО «РОСНЕФТЬ-БУНКЕР» в Морском торговом порту Усть-Луга (4-й этап строительства). Краснодар: ЗАО «НИПИ» «ИнжГео», 2012 г.;

- разработке учебного пособия (2002 г.), учебников (2007 г., 2012 г.), учебно-методического пособия для дипломного проектирования (2011 г.), учебного пособия для проведения комплексных учений (2012 г.), а также курса лекций по дисциплинам «Пожарная безопасность технологических процессов» и «Методологические основы определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах» (2012 г.) в Академии ГПС МЧС России.

Основные результаты работы доложены на: XIII Всероссийской научн,-практ. конф. «Пожарная безопасность - 95» (г. Москва, ВНИИПО МВД России, 1995); Научн.-практ. конф. специалистов предприятий и организаций России по безопасности оборудования «Безопасность применения оборудования потенциально опасных производств» (г. Москва, МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1996); 5-th International Conference Modern building materials, structures and techniques (Lithuania, Vilnius, 1997); 21-th International Symposium on Combustion «Abstracts of Work-in-Progress Poster Presentations» (Poster Session: Fire and Fire Suppression) ( University of Colorado at Boulder, 1998); VI и VII Международных конф. пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (г. Москва, Представительство CAD-FEM GmbH, 2006 г., 2007 г.); II Международной научн.-практ. конф. «Пожарная и аварийная безопасность объектов» (г. Иваново, Ивановский институт ГПС МЧС России, 2006); Международной научн.-практ. конф. «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (г. Москва, ВНИИПО МЧС России, 2008); XI Международной научн.-практ. конф. молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2008); 17-й Международной научн.-технич. конф. «Системы безопасности - 2008» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2008); Первой всероссийской научн.-практ. конф. «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (г. Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2008); VI Международной научн.-практ. конф. «Пожарная и аварийная безопасность» (г. Иваново, Ивановский институт ГПС МЧС России, 2011); Межвузовской научн.-практ. конф. «Совершенствование противопожарной защиты производственных объектов с повышенной пожарной опасностью» (г. Екатеринбург, Уральский институт ГПС МЧС России, 2012); 21-й Международной научн.-технич. конф. «Системы безопасности - 2012» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012).

На защиту выносятся:

- результаты анализа статистических данных о последствиях квазимгновенных разрушений РВС: частота разрушений, логическое дерево событий, его частотные и вероятностные характеристики;

- метод оценки параметров площади и формы пролива жидкости при разрушении РВС, а также условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива с учетом направления разрушения РВС;

- метод определения параметров силового воздействия волны прорыва на человека, а также условной вероятности поражения человека волной прорыва;

- принципы разработки ограждений РВС для полного удержания волны прорыва и конструкция ограждающей стены с волноотражающим козырьком;

- метод определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком, а также динамических нагрузок на нее от воздействия волны прорыва;

- концепция оценки и снижения потенциального пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС.

Публикации. По теме диссертации опубликована 51 научная работа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Содержание работы изложено на 355 страницах текста, включает в себя 49 таблиц, 189 рисунков, список литературы из 288 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

Анализ статистических данных (проанализировано 150 случаев разрушений РВС, произошедших на объектах ТЭК СССР, СНГ и РФ за период с 1951 по 2010 г.) показал, что разрушения РВС часто приводят к катастрофическим последствиям, нанося значительный ущерб не только самому производственному объекту, но и соседним зданиям, сооружениям, а также окружающей природной среде (рисунок 1).

Гибель 126 человек (в 32 случаях)

/=

ЧС с эвакуацией населения (в 21 случае)

Аварии с эффектом «домино» (в 55 случаях)

Разрушено волной 44 и повреждено 86 соседних РВС (в 64 случаях)

Экологические катастрофы (в 27 случаях)

Групповые пожары РВС (в 62 случаях)

Разрушено от пожара разлива 17 и повреждено 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 сочетании с применением некачественной листовой стали с пониженными механическими свойствами. При этом чаще всего хрупкие трещины, приводящие к разрушению РВС, возникали в дефектах сварочных швов, выполненных при монтаже. Это обстоятельство обусловлено, в основном, склонностью некоторых марок стали (СтЗкп и т. п.) к хрупкому разрушению при низких температурах.

35

0

а зо «

н

1 25 Н

о,

8 20

о.

и

М

15 -

10 -

5 -

0 -I

- по данным с 1951 по 1990 г. Д - по данным с 1991 по 2010 г.

а

Ш

сь

Щд

1=1

р

|р Г-™

1

7 8 9 10 11 12 13 14 15

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 пирофорных отложений; 11 - взрыв внутри РВС от разрядов статического электричества (при замере уровня жидкости); 12 - взрыв внутри РВС при производстве сварочных работ; 13 - упущения 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 стали РВС существенно снизили их аварийность по этой причине. Однако, как показала практика, и высококачественная сталь (СтЗпс, 09Г2С и т. п.) оказывается неустойчивой к низким температурам. Рассмотренные обстоятельства позволяют считать, что и сегодня вопрос обеспечения надежности резервуарных конструкций остается нерешенным. То есть признать как факт, что, несмотря на определенный прогресс, достигнутый в последние десятилетия в области 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 — инфраструктурный терроризм. Любые структуры резервуарных парков могут стать поводом для возможного террористического шантажа или акта. Причем эта опасность актуальна не только с точки зрения террора, но и с ведением нечестной конкурентной борьбы.

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 разрушал стену или размывал обвалование, выходя за пределы территории объекта, что приводило к катастрофическим последствиям с большим материальным ущербом, при этом в 8 случаях отмечено нанесение значительного вреда водным объектам. В 35,3 % случаев разрушений РВС поток продукта промывал земляные дамбы или перехлестывал через них, разливаясь по территории производственного объекта, нередко приводя к развитию аварий с эффектом «домино». В остальных случаях пролив продукта наблюдался в границах обвалования, так как истечение жидкостей происходило из частично заполненных РВС, разрушившихся, как правило, от взрыва паровоздушной смеси вследствие самовозгорания пирофорных отложений, проявления разрядов статического 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 ситуации, а расчет защитного сооружения должен производиться с учетом гидродинамической 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 основным защитным сооружениям относятся земляные обвалования или ограждающие стены из негорючих материалов, а также противопожарные разрывы. Важно отметить, что типичным отступлением от требований норм, в основном на объектах, расположенных в черте населенных пунктов, а также вблизи акваторий, является сокращение установленных противопожарных разрывов. Применяемые на практике защитные сооружения в виде земляных обвалований или стен рассчитываются только на гидростатическое удержание пролитой из поврежденного резервуара жидкости, поэтому они не удерживают волну прорыва, образующуюся при полном разрушении РВС. Обустройство же дополнительных 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 предложить 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 производственных 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 аварийной ситуации, связанной с квазимгновенным разрушением РВС;

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

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

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

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

Кроме этого, отсутствие современных систем защиты, устойчивых к воздействию 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 способов его снижения посредством разработки ограждения, устойчивого к воздействию 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 разрушений 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 квазимгновенных 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 разрушений 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 предопределять 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):

А)кспл =4,736 • 1СГ5 год-1 (при нормальном режиме эксплуатации);

Яридро = 9,38901 • 10~3 год-1 (при гидравлических испытаниях).

По результатам анализа статистических данных выявлено, что при квазимгновенном разрушении РВС время последующего воспламенения (при отсутствии мгновенного) не превышало времени полного разлива жидкости по территории объекта, что указывает на отсутствие возможности образования значительных размеров зон взрывоопасных концентраций. При разработке сценариев развития пожароопасной ситуации данное обстоятельство позволяет исключить сценарии, связанные с образованием пожара-вспышки и сгоранием паровоздушного облака с образованием волны давления. Другой особенностью развития пожароопасной ситуации, связанной с образованием горящей волны прорыва при разрушении РВС, является возникновение и воздействие двух опасных факторов: силового воздействия волны прорыва и теплового излучения пожара пролива, что указывает на необходимость учета таких сценариев при разработке логического дерева событий (рисунок 3).

Рисунок 3 - Логическое дерево событий при квазимгновенном разрушении РВС:

0ЖСПЛ = 0,9994521 - условная вероятность нахождения РВС в эксплуатации; (?гидро = 5,479-10"4 - условная вероятность проведения гидравлических испытаний

В таблице 1 приведены условные вероятности воспламенения пролива жидкости при разрушении РВС в зависимости от ее температуры вспышки.

Пожароопасная ситуация £?воспл

Твсп — 28 °С Твсп •> 28 °С

Разрушение РВС 0,803 0,295

Условная вероятность того, что воспламенение не произойдет, определяется из соотношения:

^ВОСПЛ 1 !^ВОСШ1 *

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

Температура вспышки, °С Значение частоты реализации Q, -го сценария, год"'

Pi ft Оъ

<28 3,80-10"5 9,32-10"6 5,14-Ю"5

>28 1,40-10"3 3,34-10"5 5,1410"5

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 квазимгновенных разрушениях типовых РВС. Представлено подтверждение полученных 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 (Fnp, м2) при разрушении РВС в Методике ОПР приведена формула вида:

^пр=/р^ж, (1)

где /р - коэффициент разлития, равный 5 м"1 — при проливе на неспланиро-ванную грунтовую поверхность; 20 м"1 - при проливе на спланированное грунтовое покрытие; 150 м"1 - при проливе на бетонное покрытие; Уж - объем жидкости, поступившей в окружающее пространство при разрушении РВС, м3.

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

Также необходимо отметить, что территории объектов, в составе которых эксплуатируются резервуарные парки, как правило, имеют смешанное спланированное 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 территории объектов также имеет грунтовое покрытие, за исключением зданий и сооружений, подъезды и подходы к которым, как правило, заасфальтированы. Отдельные технологические площадки, например сливо-наливные автомобильные 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 произведена выборка случаев разрушений РВС-5000 м3, как наиболее распространенных на объектах ТЭК, с разливом различных жидкостей на поверхностях с уклоном местности г < 1,5 (рисунок 4).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рисунок 4- Графическое отображение статистического распределения коэффициентов разлития жидкостей при разрушении РВС-5000 м3

Из рисунка 4 следует, что среднее значение коэффициента разлития (/ ) для различных жидкостей находится практически в одном диапазоне измерений с незначительным среднеквадратичным отклонением от наблюдаемой величины (5), 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 планировки покрытий резервуарных парков производственных объектов, а также отсутствие методики оценки параметров формы площади разлива (пожара пролива) жидкости при разгерметизации РВС, не позволяют корректно использовать 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 контролируемых факторов, статистические данные в зависимости от уклона производственной площадки, непосредственно влияющего на форму и величину площади пролива жидкости, были распределены по трем группам:

первая группа с / < 1,5 - площадь пролива жидкости близка к форме круга, центр которого смещен на расстояние ¿см относительно центра аварийного резервуара в сторону направления потока жидкости (рисунок 5а);

вторая группа с 1,5 < / < 3,0 - площадь пролива жидкости в направлении максимального уклона местности напоминает форму полукруга с примыкающей к нему трапецией (рисунок 56);

третья группа с 3,0 < / < 7,0 - форма пролива аналогична форме во второй группе, однако трапеция имеет более вытянутую форму (рисунок 56).

Рисунок 5 - Формы площадей проливов жидкостей и зон возможного затопления территорий с уклоном местности а) / < 1,5; б) 1,5 < /<7,0:

Кр - радиус РВС, м; Лпр - радиус площади пролива жидкости при разрушении РВС, м; Л3 - радиус зоны возможного затопления территории жидкостью при разрушении РВС, м; ¿см - расстояние от центра аварийного РВС до центра окружности, ограничивающей площадь пролива, м; ¿мах - максимальное расстояние от центра аварийного РВС до границы зеркала пролива жидкости по направлению уклона местности, м; /.тр - ширина площади пролива жидкости на территориях с 1,5 < / < 7,0, численно равная Лпр, м; и /ч-р - площади полукруга и примыкающей трапеции, соответственно, на территориях с 1,5 < г < 7,0, м ; - 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, ограничивающая зону затопления, за пределы которой не произойдет разлив жидкости из разрушившегося РВС.

Для корректного использования статистического метода оценки коэффициентов разлития жидкостей при разрушении РВС произведена предварительная 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 распределения результатов наблюдений закону нормального распределения и возможности их использования для нахождения коэффициентов разлития.

Таким образом, в результате обработки статистических данных при прогнозировании площади пролива жидкости вследствие разрушения РВС, рекомендованы следующие коэффициенты разлития для рассматриваемых групп: /р = 5,5 м-';/Р = 7,5 м];/р = 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

»'< 1,5 ^пр 5,5 4м=3,9Яр Япр^^пр/л; = ''мах = Лпр + ¿см ; =

1,5 </<3,0 Р'пр ^ /*тр 7,5 Лпр = ¿тр = 6,8/?р Рпк — /2, FTp — — , I - 2/Гтр • /?*-»• ^пих — , „ ' яз ~ лз > пр = ля,2 /2+гя,^

3,0 < 1 < 7,0 — Р'ш ^тр — 12,5 Кж; ЯПр = ¿тр = 6'ЗЯр

По результатам расчетного определения параметров аварийного пролива нефти или нефтепродукта при квазимгновенном разрушении РВС на схему ситуационного (генерального) плана объекта наносится максимально прогнозируемая площадь пролива и зона возможного затопления территории с указанием их значений.

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

Для разрушения был выбран РВС № 8, который перед проведением эксперимента заполнили водой на 0,95 % объема. Расстояние от стенки РВС до подошвы 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).

Результаты проведенного эксперимента подтвердили характер взаимодействия образовавшегося потока жидкости с земляным обвалованием. Основная масса жидкости перехлестнула через обвалование, частично размыв его гребень. Следует отметить, что ширина потока, подходящего к обвалованию, примерно соответствует диаметру резервуара. Затем происходит резкое увеличение ширины потока, особенно в направлении наибольшего уклона площадки.

По мере своего продвижения поток частично разрушил обвалование, опрокинул 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. Площадь пролива достигла своих максимальных размеров примерно через 6-8 с от момента разрушения РВС и составила около 5200 м~.

Ожидаемая площадь пролива при коэффициенте разлития fv = 7,5 м"' составляет 5448 м:. Необходимо отметить, что разлив жидкости при разрушении резервуара на завершающем этапе был ограничен расположенными в непосредственной 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 коэффициентов 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 разрушения 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 пролива при разрушении резервуара.

Рисунок 7 - Расчетная схема к определению условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива при разрушении РВС: 1 - окружность, характеризующая размещение человека на расстоянии г от центра РВС; 2 - граница площади пролива; — граница зоны полного затопления; 4 - граница зоны возможного затопления; 0\ - центр РВС; Ог — центр площади пролива

Рассматриваемая область имеет три характерные зоны:

- зону полного затопления г < (/?1р — £см);

- зону возможного затопления (Кпр — Ьсм ) < г < (Лпр + ¿см );

- зону без затопления г > (Я + ¿см).

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

<2 = ^ Л

где <рх — угол между отрезками ОхОг и 0\В.

Угол <рх является функцией расстояния г от центра РВС:

(2)

(г) = агссоБ

2 • г ■ I

(3)

Средние расстояния гср(г), необходимые для определения интенсивности теплового излучения, определяются по формулам: - в зоне возможного затопления

Н>"2 + ¿см - Г ■ 4м • СО8((р)</р

_ <р,

- в зоне без затопления

Л-(рх

см -Г'1 СМ -СОвСр)^

гср(г)--

(4)

(5)

л

Далее расчеты по определению интенсивности теплового излучения проводят по формулам, приведенным в Методике ОПР, при этом вместо расстояния от центра РВС используют величины гср(/-), определенные по формулам (4) и (5).

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

бпож('-) =

1,если/-<Япр-£см. Если(Я-4м)<г<(Дпр + 4м):

вт + ви 1

V2п О, при г > х. Если/->(/гпр+/,см):

| ехр

пр

¿/Рг, при г < х;

(6)

} Рг-5

л/2я —00 О, при г > х.

Рг2

с/Рг, при г<х;

где Рг — пробит-функция для поражения человека тепловым излучением, величина 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 гидродинамических 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 сооружения, показал, что оно не описывается какой-либо системой дифференциальных уравнений, адекватной во времени на всех участках рассматриваемого процесса. 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 соответствующих разделах гидродинамики. При этом выявлено, что в ряде работ, непосредственно связанных с изучением движения потока жидкости, образующегося при разрушении РВС, задача формулировалась как гравитационное растекание «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 отмечено 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 исследований являются явно недостаточными. Это требует разработки математической модели, адекватной изучаемому процессу, ее численного решения и подтверждения полученных данных результатами экспериментов.

Относительно рассмотренных экспериментальных исследований, необходимо также отметить, что подтверждение частных теоретических предположений, авторами производилось на основании результатов экспериментов, выполненных, как правило, на лабораторных стендах, разработанных с использованием методов подобия и размерности, при этом, для получения численных характеристик 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 определения 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 численными методами;

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

/> = 0,5ptfBnt/2n, (7)

где р- плотность жидкости, кг/м3; #вп > 0,25 - высота волны прорыва, м; Um > 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 (Лф, кг/с2): PKV > 4000 — гибель человека на открытой местности; Ркр > 13500 - гибель человека в зданиях из древесины, сэндвич-панелей, металлоконструкций; Ркр > 40000 - гибель человека в кирпичных 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 (Р) с критическими значениями (Рщ,). При Р > Ркр условную вероятность гибели человека принимают равной 1, в обратном случае — 0.

Как уже отмечалось, рассчитать взаимодействие пластически деформируемой 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 постановке, с учетом всех факторов возможно только численными методами. Поэтому, 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 возникновения волны прорыва при разрушении РВС, ее распространения и воздействия на людей и преграды.

Движение деформируемой стенки резервуара описывалось системой нестационарных уравнений механики деформируемого твердого тела, записанных 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 интегрирования 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 деформации, в результате чего конечные уравнения имели следующий вид:

где V, — скорость сетки; V, — скорость среды; а(/ — тензор напряжений Коши;

£>,у — тензор деформации скорости; £ — ускорение свободного падения;

и — удельная внутренняя энергия; г — интенсивность объемного тепловыделения; <7 - тепловой поток.

Численное интегрирование уравнений гидродинамики выполнялось в среде программного комплекса для инженерных расчетов ЬБйУЫА на подвижной и неподвижной эйлеровых сетках методом расщепления за два шага. На первом шаге вычислялась лагранжева производная по времени исторических переменных. 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 гидродинамики 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 жидкости. 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 м3 (в диссертации приводятся аналогичные результаты моделирования для типовых резервуаров, номинальным объемом до 50000 м3).

ди дх, '

(10)

(8)

(9)

Рисунок 8 - Характерные фрагменты течения жидкости при моделировании процесса разрушения РВС-700 м3

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 использованием 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 < < 30,35; 14,0 <¿<380,0

Н =^.]01'29318(яр//')+0'99"8(йр//-)"0'444- (1 1)

Я2 = 99,74 %; ¿кр = 3,15; Ги = 10925,65; Д = 0,081;

кр

/

0152 0 343 ¡Щ, 1,998JH.IL 0,144 + ' - + 2,521. М---^^

Я2 = 95,14 %; = 2,52; = 279,15; А = 0,117;

V

(12)

кр

- высоты и скорости волны прорыва в противоположном разрушению РВС направлении в диапазоне изменения параметров: 8,60 < Нр < 17,10; 5,20 < Лр < 30,35; 10,0 <Ь< 110,0

101,20418(Нр/£)+2,63418(^/Ц-0,203. ^^

Я2 = 98,18 %; /\р = 3,40; = 645,99; А = 0,212;

1,483 -

0,04

0,754

+1,405,1-^ -

Нр 1,64,/^

(14)

Я2 = 92,36 %; = 2,82; Ри = 66,53; А = 0,118,

где Яр - высота жидкости в РВС до аварии, м; Я2 - величина достоверности аппроксимации; - критическое значение /^-критерия Фишера; - значение /^-критерия Фишера в модели; А - доверительный интервал при уровне значимости а = 5 %.

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

бвол» =

1, если г < /;

бвол„(^) = аГСС05

0, если г > /.

г + Ь —Я, 2 г-Ъ

2 Л

/ 71, если / < г < Ц

(15)

Рисунок 9 - Расчетная схема к определению условной вероятности поражения человека волной прорыва при разрушении РВС: I - окружность, характеризующая размещение человека на расстоянии г

от центра РВС; 2 - граница зоны, ¥ в которой условная вероятность поражения человека волной прорыва в направлении движения потока равна 1; 3 - граница зоны, в которой условная вероятность поражения человека волной прорыва независимо от направления движения потока равна 1;

4 — граница зоны возможного поражения человека волной прорыва

Вследствие того, что на величину площади пролива жидкости существенное влияние оказывает уклон производственной площадки, то для оценки его влияния на основные параметры волны прорыва при разрушении РВС, произведено численное моделирование данного процесса. В качестве примера рассматривалось разрушение типового РВС-5000 м3 с водой, как наиболее распространенного типа резервуара в отрасли, с максимально возможным (в данной работе) уклоном трассы растекания жидкости в зоне затопления / = 7 %.

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

Нт, м 4.0

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0.0

-о— явп =/(£) при / = 1,5 % -о— #„„=/(£) при/=7,0% - о - £/„„=/(£) при /= 1,5 % - О - иш = /(¿) при / = 7,0 %

1 г

\ч \

ч

4м-

\

?Ч П

И

•6

иш, м/с 16

14

12

10

8 6 4 2 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 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 значения высоты и скорости волны прорыва в зоне ее возможного негативного воздействия 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 диапазоне изменений уклона местности от 1 до 7 %, возможно использовать зависимости (11-14).

Подтверждение о возможности использования разработанной математической модели получено в результате сравнительного анализа с экспериментальными 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 1 1 а), и их сравнение с результатами численного моделирования изучаемых процессов (рисунок 116).

Т = 6,6 С

т = 5,0 с

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 одноименных величин не превышает 12 % и указывает на удовлетворительную сходимость результатов.

ит м/с

12,0

10,0 Рисунок 12 - Сравнение

параметров волны прорыва

8,0 по трассе растекания при

численном и натурном

6,0 экспериментах:

—0— Нт =/(£) числ. эксп.

4,0 —°— Дш =/(£) натур, эксп.

- о - иш =/(£,) числ. эксп.

2,0 - О - Цвп =/(1) натур, эксп.

0,0

1м

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 полученному в результате численного моделирования (около 6,9 м), также указывают на удовлетворительную сходимость результатов.

Рисунок 13 - Сравнение мест расположения блока:

1 - исходное положение блока на гребне земляного обвалования; 2 - положение блока после воздействия на него волны прорыва при разрушении РВС; 3 — положение блока по результатам численного моделирования

г = 6,6 с

Основное направление движения потока

Таким образом, удовлетворительная сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований показывает, что разработанная математическая модель адекватно описывает изучаемый процесс и может использоваться для определения параметров воздействия волны прорыва на людей, здания, сооружения и противопожарные преграды.

В пятой главе представлены принципы разработки ограждений, направленных на снижение пожарного риска при разрушении РВС, на основании которых предложена новая конструкция преграды - ограждающая стена с вол-ноотражающим козырьком. Приведены данные теоретических и экспериментальных 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 разлива горючей жидкости за пределы защитного сооружения;

активность — минимизация воздействия на людей, постройки и окружающую среду сопутствующих гидродинамической аварии других опасных факторов (тепловое излучение пожара разлива, загазованность территории и др.);

безопасность — снижение негативного воздействия опасных факторов на личный состав пожарной охраны и техники, участвующих в ликвидации пожаров 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 гидродинамического 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 экранов, исключающих инфильтрацию разлившегося продукта в грунт);

локальность - реализация в границах объекта, от которого исходит опасность разлива горючей жидкости (учитывая различную социально-экономическую 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 сокращения 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 вариант конструктивного исполнения преграды в виде ограждающей стены с волно-отражающим козырьком (рисунок 14).

Основой для разработки такой конструкции преграды послужили ранее выполненные автором совместно со специалистами кафедры нефтегазовой гидродинамики Академии нефти и газа им. И.М. Губкина теоретические исследования 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 распаде произвольного разрыва в системе дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка. В результате решения сформулированной задачи 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 уменьшение 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.

2

грунт

Рисунок 14 — Принципиальная схема ограждающей стены с волноотражающим козырьком:

1 — защитная стена; 2 - волноотражающий козырек; 3 - площадка отражения потока; 4 - основание стены

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 2

Экспериментальный стенд состоял из неподвижного горизонтального основания /, размером 3000x3000 мм, по всему периметру которого была установлена 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 поверхности модельного резервуара 4 состояли из двух полуцилиндров, соединенных между собой поворотным механизмом 5, который обеспечивал их раскрытие на 180 градусов. Разъемное замковое устройство б 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 резервуара 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° < а < 75° и его ширину 0,02 м < Ь < 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 сходимость с результатами численного решения поставленной задачи, на что указывало 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 регрессионного анализа позволила получить следующую аппроксимационную зависимость для определения высоты защитной стены:

Н" = -0,0664 -Ср= + 0,0871 I— +0,0639 — , (16)

КгНР л/а2 V а2 «2

где К3 - коэффициент запаса, который рекомендуется принимать равным 1,1 для резервуаров вместимостью не более 5000 м3 и равным 1,2 для резервуаров большей вместимости; а\ = /¡(Ь/Нр), а2 — переменные, зависящие от

длины вылета волноотражающего козырька и расстояния от центра резервуара до ограждающей стены, соответственно равные:

: 15,2 ^- + 0,485; а2= 1ё нр

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

Таким образом, полученная зависимость (16) позволяет на основании эксплуатационных характеристик РВС номинальным объемом от 700 до 50000 м3 найти оптимальную высоту ограждающей стены при соответствующей длине вылета волноотражающего козырька (при а = 45°) в зависимости от расстояния до РВС в диапазоне от 3 до 30 м, то есть получить исходные данные для проектирования 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 продукта ЬББУМА, где разрабатывалась геометрическая модель РВС с ограждением. 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 поверхности основания. Расчет напряженно-деформированного состояния стены ограждения не проводился. Стена считалась недеформируемой. Сеточная модель стены ограждения имела выделенные участки, на которых проводилась регистрация усилий, создаваемых набегающим потоком. Течение жидкости и газа моделировалось на эйлеровой сетке. Жидкость заполняла РВС на заданную высоту взлива и рассматривалась как сжимаемая вязкая среда с полиномиальным уравнением 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 течение 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 ограждающую 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).

г = 0,0 с

г= 2,5 с

г = 2,8 с

т = 3,5 с

Рисунок 16 - Фрагменты течения жидкости и деформированного состояния РВС-5000

Н, м /% тс

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 усилие сдвига на стене с козырьком йт/м Максимальный опрокидывающий момент на стене с козырьком М, тм/м Максимальный момент на козырьке т, тм/м Максимальное усилие на козырьке £?к, т/м

31,0 51,0 4,2 8,8

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 ограждающей 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 обустройства, 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 козырьком заданной геометрией, что, как показала практика, является достаточной исходной информацией для проектирования и строительства данной конструкции 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 (с/р = 0,50 м; /?р = 0,43 м), что соответствовало геометрическим параметрам натурного РВС-700 м3, с целью дальнейшего сравнения одноименных величин.

Исследования проводились с защитными преградами двух конфигураций и имели восьмиугольную (рисунок 19а) или прямоугольную (рисунок 196) форму в плане размещения на стенде.

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

А А=М

узел крепления датчика силы

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 преграды угол сопряжения стенок не изменялся и составлял у = 135°. Линейный параметр Ы, 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 воздействия 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 электрического сопротивления тензорезисторов при механической деформации с регистрацией и отображением сигналов на осциллографе компьютера (рисунок 21 а).

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

оМрЩМРЧ— 1|!!Ррт1'ЧШ -зооо

т, 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 1,5 Рисунок 21 - Осциллограммы характерной записи датчиков при испытаниях

На рисунке 21 видно, что осциллограмма характеризовалась крутым, а зачастую и вертикальным фронтом. На участке спада наблюдалось наложение на основной сигнал возмущений с незначительной амплитудой, связанное с резонансными явлениями мембраны тензодатчика вследствие пульсации гидродинамического давления на напорной поверхности защитной преграды. Аналогичный характер имели осциллограммы, полученные в последующих опытах.

По результатам обработки экспериментальных данных были получены максимальные значения волнового воздействия на контактный участок преграды 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 ЬБОУЫА выполнено численное моделирование процесса, реализующегося при разрушении молельного резервуара, по результатам которого определены скоростные характеристики потока и параметры устойчивости преграды.

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

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

2,5

1,5 1,0 0,5 0,0

Рисунок 22 - Зависимости скорости волны от расстояния до резервуара:

- расчетная

-О- экспериментальная

Ь, м

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

На рисунке 23 в качестве примеров приведены соответствующие сеточные модели воздействия волны прорыва на участок преграды размером 0,18x0,18x0,05 м прямоугольной конфигурации и на участок преграды размером 0,14x0,14x0,05 м восьмиугольной конфигурации.

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 разгрузки) наблюдается небольшое амплитудное расхождение между кривыми, обусловленное креплением контактного участка к основанию стенда, допускающим некоторую вибрацию участка при воздействии на него потока жидкости. Пиковые усилия во всех экспериментальных случаях различались не более чем на 10%.

эксперимент расчет

Н

с

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 гидродинамического воздействия, установленный физическим экспериментом с продолжительностью пикового усилия около 0,05 с. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышало 20 %, что обусловлено, в основном, конструктивными особенностями экспериментального стенда.

Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что разработанная 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;

- оценку потенциального риска при разрушении РВС;

- способ снижения пожарного риска при разрушении РВС, включающий метод определения геометрических параметров ограждающей стены с волноот-ражающим козырьком и метод определения на нее динамических нагрузок от воздействия волны прорыва.

В работе, используя общую методологию определения пожарного риска на производственных объектах, с учетом положений настоящей концепции, в качестве примеров представлены результаты расчета потенциального пожарного риска при разрушении типовых РВС, заполненных на 95 % бензином или дизельным топливом, условно расположенных в Краснодарском крае.

Рассматривались два варианта:

1) РВС имел по периметру замкнутое ограждение, рассчитанное на гидростатическое удержание пролитой жидкости (рисунок 25а);

2) РВС имел по периметру замкнутое ограждение в виде ограждающей стены с волноотражающим козырьком, рассчитанное на гидродинамические нагрузки от волны прорыва (рисунок 256).

Яр )

а)

Рисунок 25 - Принципиальные схемы ограждений

На рисунке 26 представлены результаты расчетного определения величин потенциального пожарного риска при квазимгновенном разрушении рассматриваемых РВС, где отчетливо прослеживается тенденция его существенного снижения за счет применения ограждающей стены с волноотражающим козырьком. Так, сравнение отношений значений определенных интегралов для рассматриваемых функций потенциального риска показало, что для резервуаров номинальной вместимостью 700 м3 риск независимо от температуры вспышки жидкости снижается, в среднем, в 2 раза. Для резервуаров от 5000 до 50000 м3, содержащих жидкости с температурой вспышки менее 28 °С, риск снижается, в среднем, в 5 раз, а для жидкостей с температурой вспышки более 28 °С, в среднем, в 4 раза.

Рисунок 26- Потенциальный пожарный риск при разрушении РВС, номинальной вместимостью а) - 700; б) - 5000; в) - 10000; г) - 20000; д) - 30000 и е) - 50000 м3: преграда вар. 1); преграда вар. 2); бензин; _дизельное топливо

Таким образом, в диссертации решена научная проблема, направленная на снижение вероятности гибели людей и величины материального ущерба на основе разработки концепции оценки и снижения пожарного риска при квазимгновенном разрушении нефтяного резервуара, включая научно обоснованное техническое решение в виде ограждающей стены с волноотражающим козырьком, внедрение которой вносит значительный вклад в обеспечение пожарной и промышленной безопасности объектов ТЭК страны.

40

|_

Заключение содержит констатацию основных научных и практических результатов работы.

В приложениях приведены примеры разрушений РВС на объектах ТЭК страны и случаи разрушений РВС за рубежом, а также представлены акты внедрения результатов диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создан банк данных по 150 случаям разрушений РВС с нефтью (нефтепродуктом), происшедшим на объектах ТЭК за период с 1951 по 2010 гг., на основании качественного анализа которых:

- введено понятие «квазимгновенное» разрушение РВС - 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 волны прорыва;

- выявлена неспособность существующими нормативными преградами удерживать волну прорыва, что неоднократно приводило к катастрофическим последствиям и всегда сопровождалось значительным материальным ущербом;

- обоснована необходимость рассмотрения волны прорыва в качестве опасного фактора аварии при оценке пожарного риска.

2. Выполнена статистическая обработка собранных материалов, в результате которой:

- разработано логическое дерево событий, а также определены его частотные и вероятностные характеристики;

- установлены коэффициенты разлития и получены зависимости для определения параметров формы площади пролива и зоны возможного затопления территории жидкостью при квазимгновенном разрушении РВС;

- скорректирован метод определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива с учетом направления разрушения РВС.

3. Разработана математическая модель квазимгновенного разрушения РВС, на основании численного решения которой:

- получены зависимости для определения параметров силового воздействия волны прорыва на человека;

- разработан метод определения условной вероятности поражения человека волной прорыва.

4. Произведен натурный эксперимент по квазимгновенному разрушению РВС-700 м3 с водой, на основании анализа результатов которого:

- выявлен механизм формирования и движения потока жидкости, а также его взаимодействия с нормативным обвалованием;

- произведено сравнение полученных зависимостей по определению площади пролива жидкости и параметров силового воздействия волны прорыва на человека.

5. Сформулированы принципы разработки ограждений РВС для удержания волны прорыва, на основании которых разработан вариант конструктивного исполнения преграды - ограждающая стена с волноотражающим козырьком.

6. Разработаны экспериментальный стенд и методики проведения опытов по удержанию волны прорыва предложенной конструкцией преграды.

В результате исследований:

- разработан метод определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком;

- разработан метод определения динамических нагрузок от воздействия волны прорыва на основные конструктивные элементы преграды.

Выполнено сравнение полученных зависимостей по определению геометрических параметров преграды и динамических нагрузок волны прорыва, содержащихся в указанных методах, с результатами натурного эксперимента и численного моделирования.

7. Предложена концепция оценки потенциального пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС и его снижения за счет применения ограждающей стены с волноотражающим козырьком, содержащая:

- особенности и частоту квазимгновенного разрушения РВС;

- сценарии возникновения и развития аварии при разрушении РВС;

- 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;

- оценку потенциального риска при разрушении РВС;

- способ снижения пожарного риска при разрушении РВС, включающий метод определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком и метод определения динамических нагрузок от воздействия волны прорыва на ограждающую стену с волноотражающим козырьком;

- оценку влияния ограждений на величину потенциального пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС.

8. Результаты диссертационной работы использованы при разработке:

- нормативных документов (ГОСТ, СТО, СТУ, Рекомендации) по обеспечению пожарной и промышленной безопасности складов нефти и нефтепродуктов, в том числе, расположенных в населенных пунктах;

- проектных материалов на строительство ограждающих стен с волноотражающим козырьком для резервуаров и резервуарных парков объектов ТЭК;

- учебной и научной литературы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих ведущих периодических изданиях из перечня ВАК:

1. Швырков, С.А. Анализ статистических данных разрушений резервуаров / С.А. Швырков, В.Л. Семиков, А.Н. Швырков // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. - 1996. - № 5. - С. 39-50.

2. Швырков, А.Н. Предотвращение аварийного разлива жидкостей при разрушении резервуаров / А.Н. Швырков, С.А. Горячев, С.А. Швырков // Безопасность труда в промышленности. - 1996. -№ 7. - С. 64.

3. Статистика квазимгновенных разрушений резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов / С.А. Швырков [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. -2007.-№6.-С. 48-52.

4. Швырков, С.А. Прогнозирование площадей разливов нефти и нефтепродуктов при квазимгновенных разрушениях вертикальных стальных резервуаров / С.А. Швырков, C.B. Батманов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2008. - № 3. - С. 40-44.

5. Швырков, С.А. Анализ последствий чрезвычайных ситуаций при разрушениях резервуаров на объектах топливно-энергетического комплекса / С.А. Швырков, C.B. Батманов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2008. - № 4. - С. 2-8.

6. Воробьев, В.В. Определение параметров дополнительных защитных преград, предназначенных для ограничения разлива нефтепродукта при внезапном разрушении РВС / В.В. Воробьев, С.А. Горячев, С.А. Швырков // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2008. - № 4. - С. 8-10.

7. Швырков, С.А. Обеспечение пожарной и экологической безопасности мазугохранилищ на объектах теплоэнергетики в городских условиях // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2008. - № 7. -С. 16-21.

8. Воробьев, В.В. Теоретическое определение степени перелива жидкости через вертикальную стену при квазимгновенном разрушении РВС / В.В. Воробьев, С.А. Горячев, С.А. Швырков // Безопасность жизнедеятельности. - 2008. -№ 6. - С. 37-39.

9. Обеспечение пожарной безопасности объектов городской застройки при развитии транспортной инфраструктуры / С.А. Швырков [и др.] // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2009. - № 1. - С. 20-31.

10. Исследование устойчивости противопожарных преград резервуарных парков к воздействию волны прорыва при квазимгновенном разрушении вертикального стального резервуара / С.А. Швырков [и др.] // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2009. - № 4. - С. 42-45.

11. Швырков, С.А. Особенности распространения пожара в резервуарном парке НГДУ «Бузулукнефть» / С.А. Швырков, В.П. Сучков // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. — 2010. — № 7. — С. 28-35.

12. Швырков, С.А. О разработке деклараций пожарной безопасности в России / С.А. Швырков, B.C. Клубань, JI.T. Панасевич // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2012. - № 2. - С. 55-60.

13. Дифференцированный подход к определению частоты разрушений резервуаров для оценки пожарного риска на объектах ТЭК / С.А. Швырков [и др.] // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. — 2012.-№3.-С. 48-53.

14. Особенности разработки сценариев возникновения и развития пожара (аварии) при разрушении резервуара / С.А. Швырков [и др.] // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. —2012. —№ 3. — С. 54-57.

15. Пожарная опасность газоуравнительных систем резервуаров с сернистой нефтью [Электронный ресурс] / С.А. Швырков [и др.] // Технологии тех-носферной безопасности. — 2012. — № 6. — 5 с. — Режим доступа: http://agps-2006.narod.ru/ttb/2012-6/08-06-12.ttb.pdf.

16. Швырков, С.А. Концепция оценки пожарного риска при разрушении нефтяных резервуаров [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. - 2012,-№6. — 11 е. - Режим доступа: http://agps-2006.narod.ru/ ttb/2012-6/08-06-12.ttb.pdf.

17. Швырков, С.А. Метод снижения пожарного риска при разрушении нефтяного резервуара [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. - 2013. -№ 1. - 14 с. - Режим доступа: http://agps-2006.narod.ru/ ttb/2013-l/08-06-12.ttb.pdf.

Остальные публикации по теме диссертации:

18. Швырков, С.А. Проблема обеспечения пожарной безопасности складов нефтепродуктов, расположенных в городах и населенных пунктах // Материалы XIII Всероссийской науч.-практ. конф.: Пожарная безопасность — 95. - М.: ВНИИПО МВД России, 1995. - С. 397-399.

19. Анализ последствий разрушений резервуаров с горючими жидкостями / С.А. Швырков [и др.] // Материалы научн.-практ. конф. специалистов предприятий и организаций России по безопасности оборудования: Безопасность применения оборудования потенциально опасных производств. - М.: Химтехника, 1996.-С. 111-112.

20. Швырков, А.Н. Предотвращение аварийного растекания пожароопасных жидкостей при разрушении резервуаров / А.Н. Швырков, С.А. Горячев, С.А. Швырков // Материалы научн.-практ. конф. специалистов предприятий и организаций России по безопасности оборудования: Безопасность применения оборудования потенциально опасных производств. - М.: Химтехника, 1996. -С. 130-132.

21. Shwirkov, S. The limitation of an emergency inflammable liquids spill after tanks breakdown / S. Shwirkov, S. Goriachev, A. Rackauskas // 5-th International Conference Modem building materials, structures and techniques. - Vilnius, Lithuania, 1997. - Vol. 4. - P. 298-300.

22. Анализ аварийных разрушений резервуаров на складах нефти и нефтепродуктов и разработка рекомендаций по ограничению площади разлива: отчет о НИР № 1.419/96 / А.Н. Швырков, С.А. Горячев, С.А. Швырков. - М.: МИПБ МВД РФ, 1997.-100 с.

23. Швырков, А.Н. Волна прорыва на нефтебазе плюс эффект «Домино». Техногенные катастрофы при разрушении резервуаров и защита от них / А.Н. Швырков, С.А. Швырков, С.А. Горячев // Охрана труда и социальное страхование,- 1997.-Вып.11,-С. 42-45.

24. Shwirkov, S. Emergency oil spills soil pollution / S. Shwirkov [et all.] // 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. - P. 476-477.

25. Оценка рисков в резервуарном парке при квазимгновенном разрушении стального вертикального резервуара: научн.-инф. сб. / С.А. Швырков [и др.]. -М.: ЦНИИТЭнефтехим: Транспорт и хранение нефтепродуктов, 2005.—Вып. 7. - С. 7-8.

26. Прогнозирование площади разлива нефтепродукта при квазимгновенном разрушении резервуара: научн.-инф. сб. / С.А. Швырков [и др.]. — М.: ЦНИИТЭнефтехим: Транспорт и хранение нефтепродуктов, 2005. - Вып. 7. - С. 8-12.

27. Богач, A.A. Определение гидродинамических нагрузок воздействия волны прорыва, образующейся при квазимгновенном разрушении вертикального стального резервуара (РВС), на ограждающую стенку / A.A. Богач, А.Ю. Муйземнек, С.А. Швырков // Сб. тр. шестой конф. пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH; под ред. A.C. Шадского. — М.: Полигон-пресс, 2006. - С. 48-54.

28. Прогнозирование площади пожара разлива жидкости при квазимгновенном разрушении вертикального стального резервуара / С.А. Швырков [и др.] // Материалы второй Международной научн.-практ. конф.: Пожарная и аварийная безопасность объектов. - Иваново: Иван, ин-т ГПС МЧС России, 2006. - С. 85-88.

29. Богач, A.A. Моделирование процесса разлива нефти на площадке терминала при квазимгновенном разрушении РВСПК-100000 / A.A. Богач, С.А. Швырков // Сб. тр. седьмой конф. пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH; под. ред. A.C. Шадского. -М.: Полигон-пресс, 2007. - С. 428-442.

30. Швырков, С.А. Анализ статистических данных квазимгновенных разрушений вертикальных стальных резервуаров / С.А. Швырков, C.B. Батманов // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2008. -№ 1.-С. 56-67.

31. Швырков, С.А. Методика прогнозирования площадей разливов нефти и нефтепродуктов при разрушениях вертикальных стальных резервуаров / С.А. Швырков, C.B. Батманов // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2008. - № 1.-С. 117-124.

32. Обеспечение пожарной безопасности городских объектов при развитии транспортной инфраструктуры / С.А. Швырков [и др.] // Материалы Международной научн.-практ. конф.: Актуальные проблемы пожарной безопасности. -М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. - Ч. 1. - С. 207-210.

33. Швырков, С.А. Обеспечение пожарной безопасности мазутохранилищ объектов теплоэнергетики в городских условиях / С.А. Швырков, C.B. Батманов // Материалы Международной научн.-практ. конф.: Актуальные проблемы пожарной безопасности. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. - Ч. 1. - С. 231-235.

34. Анализ последствий разрушений резервуаров / С.А. Швырков [и др.] // Материалы Международной научн.-практ. конф.: Актуальные проблемы пожарной безопасности. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. - Ч. 1. - С. 235-238.

35. Швырков, С.А. Современная концепция защитных сооружений резервуаров и резервуарных парков от разлива нефти и нефтепродуктов // Материалы Международной научн.-практ. конф.: Актуальные проблемы пожарной безопасности. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. - Ч. 1. - С. 242-245.

36. Швырков, С.А. Оценка площади загрязнения территории жидкими углеводородами / С.А. Швырков, С.А. Дедовец, С.Н. Ушаков // Газовая промышленность. - 2008. - № 619 (спецвыпуск). - С. 14-16.

37. Швырков, С.А. Защита окружающей среды при разрушениях крупногабаритных резервуаров на морских нефтяных терминалах // Газовая промышленность. -2008. -№ 619 (спецвыпуск). - С. 34-37.

38. Швырков, С.А. Концептуальные принципы защиты населения и территорий от аварийного разлива мазута на объектах энергетики // Научные труды одиннадцатой международной межвузовской научн.-практ. конф.: Строительство - формирование среды жизнедеятельности. - М.: МГСУ, Изд-во АСВ, 2008. - С. 237-240.

39. Швырков, С.А. Обеспечение пожарной безопасности резервуарных парков на основе применения современных способов защиты от разлива нефтепродуктов // Материалы семнадцатой международной научн.-техн. конф.: Системы безопасности - 2008. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2008. - С. 160-164.

40. Швырков, С.А. Метод оценки площади загрязнения территории нефтью и нефтепродуктами при разрушении резервуаров / С.А. Швырков, C.B. Батманов, С.Н. Ушаков // Тезисы докладов I Всероссийской научн.-практ. конф. с международным участием: Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям. - М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, МАКС Пресс, 2008. - С. 285-287.

41. Швырков, С.А. Способ минимизации последствий разрушений резервуаров большого объема // Сб. научн. тр.: Современные технологии обеспечения пожарной безопасности в нефтегазовой отрасли. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2009. - С. 4-11.

42. Швырков, С.А. Методика прогнозирования площадей разливов нефти и нефтепродуктов при разрушениях вертикальных стальных резервуаров / С.А. Швырков, C.B. Батманов // Сб. научн. тр.: Современные технологии обеспечения пожарной безопасности в нефтегазовой отрасли. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2009. - С. 30-37.

43. Швырков, С.А. Снижение пожарных рисков на объектах нефтегазового комплекса на основе применения современных ограждений резервуарных парков / С.А. Швырков, А.П. Петров // Сб. научн. тр.: Современные технологии обеспечения пожарной безопасности в нефтегазовой отрасли. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2009. - С. 41-44.

44. Швырков, С.А. Причины возникновения и условия распространения пожара в резервуарном парке УПН «Покровская» / С.А. Швырков, В.П. Сучков // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2010. -№3,-С. 71-84.

45. Швырков, С.А. Современные технологии предупреждения ЧС при авариях нефтяных резервуаров / С.А. Швырков, H.A. Литаш, Я.И. Юрьев // Материалы VI Международной научн.-практ. конф.: Пожарная и аварийная безопасность. - Иваново: ИвИ ГПС МЧС России, 2011. - Ч. 1. - С. 228-230.

46. Швырков, С.А. Применение сталефибробетона в конструкциях ограждений резервуаров на слабых грунтах / С.А. Швырков, Я.И. Юрьев, H.A. Литаш // Материалы VI Международной научн.-практ. конф.: Пожарная и аварийная безопасность. - Иваново: ИвИ ГПС МЧС России, 2011. - Ч. 1. - С. 371-373.

47. Швырков, С.А. Обеспечение безопасности территорий при авариях резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов на морских терминалах // Морские порты. - 2012. — № 4. - С. 22-27.

48. Швырков, С.А. О разработке деклараций пожарной безопасности объектов / С.А. Швырков, B.C. Клубань, Л.Т. Панасевич // Материалы 21-й Международной научн.-техн. конф.: Системы безопасности - 2012. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. - С. 34-39.

49. Швырков, С.А. Частота квазимгновенных разрушений нефтяных резервуаров на объектах ТЭК // Материалы научн.-практ. конф.: Совершенствование противопожарной защиты производственных объектов с повышенной пожарной опасностью. - Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2012. - С. 166-170.

50. Швырков, С.А. Проблема устойчивости ограждений резервуаров к воздействию пожара разлива нефтепродуктов / С.А. Швырков, Я.И. Юрьев // Материалы научн.-практ. конф.: Совершенствование противопожарной защиты производственных объектов с повышенной пожарной опасностью. — Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2012. - С. 170-172.

51. Швырков, С.А. Актуальные вопросы обеспечения пожарной безопасности резервуаров с защитной стенкой / С.А. Швырков, H.A. Литаш // Материалы научн.-практ. конф.: Совершенствование противопожарной защиты производственных объектов с повышенной пожарной опасностью. - Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2012. - С. 172-173.

Подписано в печать 05.09.2013. Формат 60x84/1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 113. Академия ГПС МЧС России. 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

Академия Государственной противопожарной службы

052013514Э4

На правах рукописи

Швырков Сергей Александрович

ПОЖАРНЫЙ РИСК ПРИ КВАЗИМГНОВЕННОМ РАЗРУШЕНИИ НЕФТЯНОГО РЕЗЕРВУАРА

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль, технические науки)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

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

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 6

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СТАТИСТИКИ РАЗРУШЕНИЙ РЕЗЕРВУАРОВ, ТРЕБОВАНИЙ НОРМ ПО ОГРАНИЧЕНИЮ РАЗЛИВА ЖИДКОСТЕЙ И ОЦЕНКЕ ПОЖАРНОГО РИСКА................................................... 15

1.1. Статистические данные о квазимгновенных разрушениях РВС........... 15

1.1.1. Источники информации................................................... 15

1.1.2. Анализ статистических данных.......................................... 17

1.2. Анализ требований нормативных документов к обустройству ограждений резервуаров........................................................... 34

1.3. Анализ нормативно-законодательных положений по оценке

пожарного риска на производственных объектах............................ 37

1.4. Концепция, цель и задачи исследования....................................... 42

ГЛАВА 2. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЧАСТОТЫ РАЗРУШЕНИЙ

РВС И УСЛОВНЫХ ВЕРОЯТНОСТЕЙ РЕАЛИЗАЦИИ СЦЕНАРИЕВ

ПРИ АВАРИЯХ НЕФТЯНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ.................................... 44

2.1. Дифференцированный подход к определению частоты

разрушений РВС..................................................................... 44

2.2. Особенности разработки сценариев возникновения и развития пожара (аварии) при разрушении РВС................................................... 52

2.3. Определение условных вероятностей реализации сценариев

при квазимгновенном разрушении РВС....................................... 54

2.4. Особенности оценки потенциального риска при разрушении РВС...... 56

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТОВ РАЗЛИТИЯ И ФОРМЫ ПЛОЩАДИ ПРОЛИВА ЖИДКОСТИ ПРИ РАЗРУШЕНИИ РВС............. 57

3.1. Дифференцированный подход к оценке параметров разлива.............. 57

3.2. Статистическая оценка коэффициентов разлития............................ 62

3.2.1. Подготовка статистических данных..................................... 68

3.2.2. Определение коэффициентов разлития................................. 75

3.3. Оценка параметров формы площади пролива жидкости и зоны возможного затопления............................................................ 76

3.4. Экспериментальное определение площади пролива жидкости

при квазимгновенном разрушении РВС....................................... 82

3.5. Особенности определения условной вероятности поражения людей тепловым излучением пожара пролива......................................... 89

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ ПОЛЕЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЛНЫ ПРОРЫВА НА ЛЮДЕЙ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ.......................................... 93

4.1. Характеристика потока жидкости при полном разрушении РВС.......... 93

4.2. Анализ теоретических исследований характеристик волны прорыва

при разрушении гидротехнических сооружений............................. 95

4.3. Анализ теоретических исследований волны прорыва при разрушении наземного резервуара............................................................... 101

4.4. Анализ экспериментальных исследований взаимодействия волн прорыва с защитными преградами................................................. 106

4.5. Анализ методик расчета максимальных параметров потока по трассе растекания при гидродинамических авариях...................................... 115

4.6. Разработка математической модели образования волны прорыва при разрушении РВС, ее распространения и воздействия на людей, здания и сооружения............................................................... 124

4.6.1. Результаты численного моделирования параметров

воздействия волны прорыва на людей, здания и сооружения..... 131

4.6.2. Особенности распределения высоты и скорости волны

прорыва по трассе растекания с уклоном...................................... 153

4.7. Экспериментальное исследование параметров волны прорыва

при разрушении РВС-700......................................................... 156

4.7.1. Оценка скорости и высоты волны прорыва по трассе растекания... 156

4.7.2. Оценка силового воздействия волны прорыва на элемент здания... 159

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ОГРАЖДАЮЩЕЙ СТЕНЫ УСТОЙЧИВОЙ

К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВОЛНЫ ПРОРЫВА ПРИ РАЗРУШЕНИИ РВС..................162

5.1. Принципы разработки ограждений РВС для снижения

пожарного риска..........................................................................................................................................162

5.2. Анализ дополнительных и альтернативных способов защиты

от разлива нефти и нефтепродуктов в резервуарных парках............................166

5.3. Результаты экспериментального определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком............169

5.3.1. Определение критериев подобия..................................................................................170

5.3.2. Разработка лабораторного стенда и методики проведения экспериментов..............................................................................................................................171

5.3.3. Экспериментальное исследование и обработка данных........................173

5.3.4. Техника измерений и оценка погрешностей измерений........................184

5.4. Результаты теоретического исследования динамического воздействия волны прорыва на ограждающую стену с волноотражающим козырьком........................................................................................................................................................185

5.5. Экспериментальное исследование динамических нагрузок от волны прорыва на ограждающую стену с волноотражающим козырьком............200

5.5.1. Критерии моделирования....................................................................................................200

5.5.2. Описание лабораторного стенда и приборного оборудования............204

5.5.3. Определение скоростных характеристик потока..........................................212

5.5.4. Определение волновой нагрузки..................................................................................215

5.5.5. Оценка погрешностей измерений..............................................................................225

5.6. Численное моделирование экспериментальных исследований........................228

5.6.1. Анализ скоростных характеристик потока........................................................................229

5.6.2. Анализ гидродинамических нагрузок на преграду......................................230

ГЛАВА 6. КОНЦЕПЦИЯ ОЦЕНКИ И СНИЖЕНИЯ ПОЖАРНОГО

РИСКА ПРИ РАЗРУШЕНИИ НЕФТЯНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ......................................235

6.1. Общие положения.......................................................................235

6.2. Особенности квазимгновенного разрушения РВС......................................................236

6.3. Частота разрушений РВС.......................................................... 237

6.4. Сценарии возникновения и развития аварии при разрушении РВС...... 238

6.5. Метод оценки формы и площади пролива жидкости

при разрушении РВС............................................................... 239

6.6. Метод определения условной вероятности поражения человека

волной прорыва..................................................................... 241

6.7. Особенности определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива......................................... 243

6.8. Оценка потенциального риска при разрушении РВС........................ 246

6.9. Способ снижения пожарного риска при разрушении РВС.................. 246

6.9.1. Метод определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком................................. 247

6.9.2. Метод определения динамических нагрузок от воздействия волны прорыва на ограждающую стену с волноотражающим козырьком..................................................................... 248

6.10. Оценка влияния ограждений на величину потенциального риска

при квазимгновенном разрушении РВС...................................... 250

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................ 257

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................... 260

Приложение А. ПРИМЕРЫ РАЗРУШЕНИЙ РВС С ОГРАЖДЕНИЯМИ

РАЗЛИЧНОГО КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ........................ 290

А. 1. Примеры разрушений РВС с земляными обвалованиями.................. 290

А.2. Примеры разрушений РВС в резервуарных парках с ограждающими

стенами из кирпичной и каменной кладки.................................... 318

А.З. Примеры разрушений РВС в резервуарных парках с ограждающими

стенами из сборных железобетонных конструкций......................... 321

А.4. Пример разрушения резервуара с двойной стенкой......................... 331

Приложение Б. СЛУЧАИ РАЗРУШЕНИЙ РВС ЗА РУБЕЖОМ............... 335

Приложение В. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ................................................. 346

ВВЕДЕНИЕ

Основной направленностью современных подходов к обеспечению пожарной безопасности, базирующихся на концепции «приемлемого риска», является снижение вероятности гибели людей. Это предполагает выполнение комплекса работ, связанных с анализом риска возможных аварий, при этом вопрос научной обоснованности и адекватности расчетных методик является одним из ключевых в обеспечении безопасности людей. Отсутствие или пренебрежение научными основами приводит, с одной стороны, к экономически неоправданным затратам на обеспечение пожарной безопасности, с другой - к серьезным упущениям в отношении реальной опасности аварийной ситуации на объекте [1-15].

Однако, несмотря на повышенное внимание исследователей к данной проблеме и достаточно большое количество, как отечественных (Брушлинский H.H., Волков О.М., Сучков В.П., Шебеко Ю.Н., Болодьян И.А., Гордиенко Д.М., Елохин А.Н., Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев A.A., Лисанов М.В., Печеркин A.C., Сидоров В.И., Измалков В.И., Акимов В.А., Козлитин A.M. и др. [16-35]), так и зарубежных (Химмельблау Д., Хенли Э.Дж., Кумамо-то X., Маршалл В., Alle В., Morris М., Miles A., Cooper J., WolskiA., Dembsey N., Meacham В., Tixier J., Beerens H., Post J. et all. [36-48]) работ, посвященных анализу риска на объектах нефтегазового комплекса, ряд важных с практической точки зрения закономерностей, характеризующих пожарную опасность полного разрушения технологического оборудования, выявлены в научном плане недостаточно. И, как следствие, отсутствуют методы оценки опасных факторов, динамики развития и прогноза последствий аварийной ситуации, связанной с квазимгновенным разрушением вертикального стального резервуара с нефтью или нефтепродуктом (далее РВС или нефтяной резервуар).

Отличительными признаками такой аварии являются полная потеря целостности корпуса РВС и выход в течение короткого промежутка времени (не более 10-15 с) на прилегающую территорию всей хранящейся в резервуаре

жидкости в виде мощного потока - волны прорыва. При этом волна характеризуется резкой нестационарностью, наличием фронта в виде бора (вала), движущегося со значительной скоростью и обладающего большой разрушительной силой [28, 49-56].

В этой связи следует отметить, что к основным сооружениям по ограничению аварийного разлива жидкостей в резервуарных парках на протяжении последних ста лет относятся земляные обвалования или ограждающие стены, расчет которых производится только на гидростатическое удержание пролитой жидкости [57]. 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 [53-55, 58-61].

Так, например, в результате образования и воздействия горящей волны прорыва при разрушении РВС-4600 с нефтью на Уфимском НПЗ (Башкирия, 1953 г.) погибли 22 сотрудника пожарной охраны и 2 работника объекта. В результате образования горящего потока бензина при разрушении РВС-700 на «Каменской» нефтебазе (Ростовская область, 1961 г.) с выходом его за пределы объекта и распространением на жилой сектор погиб 41 человек. В результате воздействия волны прорыва при разрушении РВС-20000 с водой на Невинномысской ГРЭС (Ставропольский край, 1985 г.) полностью разрушено железобетонное ограждение мазутного хозяйства объекта, элементы которого, подхваченные потоком воды, повредили соседний резервуар с мазутом, который попал в р. Барсучки и р. Кубань, что привело к большому экологическому ущербу. В результате взрыва паров нефти в РВС-20000, разрушения резервуара с образованием и воздействием горящей волны в резервуарном парке линейной производственно-диспетчерской станции «Конда» (Тюменская область, 2009 г.) погибли 3 и получили тяжелые травмы 4 сотрудника пожарной охраны, более 20 человек, в том числе из персонала станции, были контужены. Только прямой ущерб от аварии составил более 1,5 млрд. руб. (см. Приложение А).

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) [241, 242].

В результате анализа нормативных документов по оценке пожарного риска на производственных объектах выявлено, что волна прорыва не рассматривается в качестве опасного фактора аварийной ситуации, при этом отсутствуют данные как по частоте разрушений РВС, так и по статистическим вероятностям реализации сценариев развития рассматриваемой аварийной ситуации. Кроме этого, не приводятся методы оценки формы площади пролива жидкости при разрушении РВС, а также параметров воздействия волны прорыва на людей и противопожарные преграды, что не позволяет производить количественный анализ пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС [133, 135, 136, 284].

Таким образом, анализ состояния проблемы и уточнение понятийного аппарата, позволили сформулировать общую концепцию исследования: о развитии методологических основ оценки пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС, как одной из наиболее пожароопасных ситуаций на объектах топливно-энергетического комплекса (ТЭК), а также средств его снижения за счет разработки и применения ограждающей стены с волноотра-жающим козырьком, устойчивой к воздействию волны прорыва.

Цель работы - развитие методов оценки и средств снижения пожарного риска при квазимгновенном разрушении нефтяного РВС.

Основные задачи исследования:

- выполнить анализ статистических данных разрушений РВС, на основании которого разработать логическое дерево событий с определением его частотных и вероятностных характеристик, установить коэффициенты разлития и параметры формы площади пролива жидкости, скорректировать метод определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива с учетом направления разрушения РВС;

- разработать математическую модель квазимгновенного разрушения РВС, на основании численного решения которой получить зависимости для определения параметров силового воздействия волны прорыва на человека и предложить метод определения условной вероятности поражения человека волной прорыва;

- произвести сравнение полученных зависимостей по определению площади пролива и параметров силового воздействия волны прорыва на человека с результатами натурного эксперимента при разрушении РВС;

- сформулировать принципы разработки ограждений РВС для полного удержания волны прорыва, на основании которых предложить вариант конструктивного исполнения преграды - ограждающую стену с волноотража-ющим козырьком;

- разработать экспериментальный стенд и методику проведения опытов по удержанию волны прорыва предложенной конструкцией преграды, сравнить полученные данные с результатами численного моделирования;

- разработать методы определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком и динамических нагрузок на ее конструктивные элементы от воздействия волны прорыва;

- предложить концепцию оценки потенциального пожарного риска и его снижения за счет применения ограждающей стены с волноотражающим козырьком при квазимгновенном разрушении РВС.

Объектом исследования являлись гидродинамические процессы, характеризующие пожарную опасность квазимгновенного разрушения РВС,

и практическое использование их основных закономерностей для решения проблемы снижения пожарного риска. В качестве предмета исследования рассматривались различные ограждения РВС и их влияние на величину пожарного риска.

Методы исследования.

Основу теоретических исследований составляли методы теории вероятностей и математической статистики, теории подобия и математического моделирования, декомпозиции развития возможных аварийных ситуаций, выявления закономерностей, описания, обобщения.

Моделирование и расчеты, связанные с решением систем уравнений гидродинамики и уравнений деформируемого твердого тела в связанной пространственной постановке, проведены с использованием современного программного комплекса для инженер�