автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка методики определения расчетных величин пожарных рисков при взрывах сосудов под давлением

На правах рукописи

КРАСНОВ АНТОН ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ВЕЛИЧИН ПОЖАРНЫХ РИСКОВ ПРИ ВЗРЫВАХ СОСУДОВ ПОД

ДАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005542556

Уфа-2013

005542556

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» на кафедре «Технологические машины и оборудование».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Хафизов Фаниль Шамильевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Байков Игорь Равильевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» / кафедра «Промышленная теплоэнергетика», заведующий кафедрой

Идрисов Роберт Хабибович

доктор технических наук, профессор,

ГУЛ «Институт проблем транспорта

энергоресурсов» РБ / отдел «Безопасность

эксплуатации трубопроводных систем»,

заведующий отделом

Уральский институт Государственной

противопожарной службы МЧС России (г. Екатеринбург)

Защита состоится «24» декабря 2013 года в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Вторая половина двадцатого века стала временем активного развития пожарной и промышленной безопасности. В первую очередь это связано с ростом промышленного производства, повышением его концентрации, усложнением технологий, использованием широкой номенклатуры новых видов веществ, участвующих в технологических процессах, и др. Все это привело к тому, что происходящие техногенные аварии стали носить все более катастрофический характер, оказывая пагубное воздействие на здоровье людей и окружающую природную среду.

Авариям на предприятиях нефтегазовой отрасли характерны большие объемы выброса взрывопожароопасных веществ, образующие облака топливно-воздушных смесей, разливы нефтепродуктов и как следствие — пожары, взрывы, разрушение аппаратов и целых установок.

Наибольшая аварийность в данное время наблюдается на узлах первичной подготовки нефти. Связана она, прежде всего, с достаточно быстрым износом технологического оборудования (преимущественно его коррозией) под воздействием сернистых соединений, которые в больших количествах присутствуют в нефти Башкортостана, Татарстана и других регионов Российской Федерации. Основным технологическим оборудованием на первичных узлах подготовки нефти являются сосуды, работающие под давлением. При аварийной разгерметизации данного вида оборудования высока вероятность взрывных превращений при контакте с источником зажигания.

Анализ статистической информации об авариях, связанных со взрывами, показал, что такие аварии чреваты тяжелыми последствиями, сопровождающимися поражением людей и разрушением окружающих промышленных объектов.

На сегодняшний день остаются слабо освещенными вопросы, относящиеся к практическому расчету и прогнозированию последствий аварий, приведших к

взрывам топливовоздушных смесей при разгерметизации сосудов под давлением, путем определения расчетных величин пожарного риска. Текущая ситуация обусловлена отсутствием формул, учитывающих температуру или давление технологического процесса, оказывающих влияние на мощность взрыва, а так же отсутствием расчетных формул для определения параметров пожарного риска при взрывах топливовоздушных смесей при разгерметизации сосудов под давлением, находящихся внутри зданий.

В связи с вышеизложенным, разработка методики оценки величин пожарных рисков при взрывах сосудов под давлением на объектах нефтегазовой отрасли является актуальной.

Цель работы - разработка методов определения состояния защищенности от действия ударной взрывной волны при взрывах топливовоздушных смесей при контакте с источником зажигания, образованных при разгерметизации сосудов под давлением путем, совершенствования методов оценки величин пожарных рисков и показателей пожарной безопасности на опасных производственных объектах.

На основании вышеизложенного, были определены основные задачи исследования:

- выделить основные параметры и их граничные значения, влияющие на вероятность возникновения взрывов топливовоздушных смесей, образованных в результате разгерметизации сосудов под давлением;

- получить экспериментальные данные по давлению насыщенных паров различных видов нефти в зависимости от температуры технологического процесса;

- установить зависимость между концентрацией горючего вещества в смеси, температурой технологического процесса и нижним концентрационным пределом воспламеняемости вещества;

- с целью повышения достоверности получаемых в ходе расчета величин пожарного риска результатов, а так же для уменьшения трудозатрат на

нахождение вероятности поражения людей от ударной взрывной волны, выявить основной детерминированный критерий поражения при взрывах топливовоздушных смесей. Найти зависимость между детерминированным критерием и вероятностью поражения;

- для прогнозирования аварийных взрывов топливовоздушных смесей в помещениях, разработать алгоритм нахождения пожарных рисков для сосудов под давлением, находящихся внутри зданий;

- для прогнозирования последствий аварийных взрывов на объектах первичной подготовки нефти разработать методику расчета величин пожарных рисков при взрывах сосудов под давлением.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследований: методы, базирующиеся на сборе актуальной информации на объектах нефтегазовой отрасли; экспериментальный метод определения свойств нефтепродуктов, в том числе взрывопожароопасных; эвристические методы, основанные на экспертных оценках специалистов; методы математической статистики; методы расчета пожарных рисков.

Основные защищаемые положения

1 Алгоритм определения расчетных величин пожарных рисков при взрывах сосудов под давлением, находящихся внутри зданий.

2 Метод определения концентрации горючего вещества во взрывоопасной топливовоздушной смеси с учетом температуры технологического процесса.

Научная новизна

1. Разработана методика определения величин пожарного риска при взрывах сосудов под давлением.

2. Получена зависимость между концентрацией горючего компонента в облаке газопаровоздушной смеси (более 0,5 % об.), температурой технологического процесса и нижним концентрационным пределом воспламеняемости вещества, находящегося в сосуде под давлением.

Практическая значимость работы

Разработанная методика использовалась для оценки величин пожарных рисков при взрывах сосудов под давлением, находящихся в помещениях цеха №6 ОАО «Мелеузовские минеральные удобрения». Также результаты работы внедрены в учебный процесс при выполнении контрольных и практических работ по дисциплине «Пожарная безопасность в строительстве» для подготовки инженеров специальности 280104 «Пожарная безопасность» (направление 280100 «Безопасность жизнедеятельности»).

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на:

II Всероссийской с международным участием научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 2011г.);

61-й, 62-й и 63-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых VIШУ (Уфа, 2010-2012 гг.).

Публикации

Основное содержание работы изложено в 7 публикациях, из них 3 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, вошедших в перечень ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованных источников из 114 наименований, изложена на 134 страницах, содержит 40 рисунков, 31 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении дается обоснование актуальности выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, а также их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе произведен анализ статистической информации по количеству аварий на объектах нефтегазовой отрасли за последние годы.

Согласно статистической информации, количество аварий на объектах нефтепродуктообеспечения в период с 2001 по 2008 года снизилось на 44%.

Оценка аварий показывает, что большинство из них сопровождаются проливом опасных веществ или образованием взрывоопасных облаков горючего с кислородом воздуха. Основными причинами произошедших аварий являются: нарушение технологического режима, износ оборудования, неисправность автоматики и др. Около 80 % от общего числа аварий происходят во время ведения технологического процесса.

Как показывает статистика, примерно 45% от общего числа аварий возникает в результате разгерметизации сосудов под давлением. Аварии, связанные с этим типом оборудования одни из наиболее опасных, так как большинство их сопровождается взрывными превращениями, что приводит к человеческим потерям и большим материальным убыткам.

Определение величин пожарных рисков на производственных объектах проводится по методике, утвержденной приказом МЧС России от 10.07.2009 № 404. Анализ этой методики выявил ряд недостатков:

отсутствие расчета величин пожарных рисков при взрывах топливовоздушных смесей при разгерметизации сосудов под давлением, находящихся внутри зданий;

- нет зависимости между параметрами технологического процесса и рассчитываемыми значениями индивидуального и потенциального пожарных рисков;

- получение нелогичных значений по оценке воздействия взрывной ударной волны на людей (в эпицентре взрыва пробит-функция, отвечающая за вероятность гибели людей, часто выходит отрицательной — вероятность гибели людей нулевая).

Из проведенного анализа научно-технической литературы и приказа МЧС России № 404 от 10.07.2009 сделан вывод, что разработка методики для

определения расчетных величин пожарного риска при взрывах сосудов под давлением является актуальной.

Во второй главе рассмотрены основные методы и методики анализа рисков на опасных производственных объектах, а также методы нахождения расчетных параметров при расчете величин пожарных рисков опасных производственных объектов.

В РД 03-418-01 «Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов» наиболее широко представлены методы анализа риска опасных производственных объектах. Их перечень приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Виды методов анализа риска опасных производственных объектов

по РД 03-418-01

Из приведенных на рисунке 1 методов анализа следует выделить метод «дерево отказов» и «дерево событий», который получил наибольшее распространение при анализе рисков на объектах нефтегазовой отрасли.

Одной из труднонаходимых величин при расчете величин пожарного риска при взрывах сосудов под давлением является значение давления насыщенных паров нефти. Трудность, прежде всего, связана с отсутствием справочных данных по давлению насыщенных паров для нефти.

Были проведены лабораторные испытания по ГОСТ 1756-2000 и построена номограмма давления насыщенных паров для нефти. Испытания решено было

проводить для самой легкой (зольнинская сырая) и самой тяжелой (кара-арнанская) нефтей.

Полученные экспериментальным путем данные подверглись сверке с графиком Кокса для парафиновых углеводородов и номограммой 1ЮР. По результатам сверки была построена номограмма давления насыщенных паров для нефти (рисунок 2).

Рисунок 2 - Номограмма давления насыщенных паров для нефти Для расчета пожарных рисков при оценке аварийных взрывов паровоздушных смесей нефти с кислородом воздуха рекомендуется использовать данные по зольнинской нефти, так как необходимо оценивать наиболее опасный сценарий взрыва, а, следовательно, использовать справочные данные по наиболее взрывоопасным веществам.

На процесс протекания взрывных превращений существенное влияние оказывают температура и давление технологического процесса. Повышение температуры прямо пропорционально увеличению мощности взрыва. Были проведены лабораторные испытания по определению нижнего концентрационного предела воспламеняемости (НКПВ) для пропан-бутановой

смеси. На рисунке 3 представлены результаты эксперимента по определению концентрационного предела воспламеняемости для пропан-бутановой смеси (с содержанием пропана в смеси 96% об.). НКПВ,°/о

т,*с

о 50 100 150 200 250 300

Рисунок 3 - Зависимость НКПВ от температуры окружающей среды для пропан-бутановой смеси Из полученных результатов испытаний видно, что с увеличением температуры окружающего пространства пределы воспламеняемости смеси расширяются, а при температуре окружающего пространства равной температуре самовоспламенения горючего вещества в смеси - критическая концентрация горючего вещества, способная к воспламенению, равна 0,5 % об.. Концентрацию горючего вещества (Сг) можно вычислить, решив следующую систему уравнений:

НКПВ, если tp = tHy; Сг = • 0,5, если tp < tCB;

X, при tp,

где [се — температура самовоспламенения, справочная информация; t„y — температура при нормальных условиях;

НКПВ - нижний концентрационный предел воспламеняемости при нормальных условиях (105 Па и О °С), справочная информация;

1р—температура технологического процесса;

х—искомое значение концентрации горючего в смеси.

Решив данную систему уравнений, концентрацию горючего вещества во взрывоопасной смеси можно задать функцией в зависимости от температуры технологического процесса и представить в следующем виде

¡■(НКЛВ- 0,5) Сг=НКПВ——-— . (2)

^се

В итоге критическая концентрация горючего вещества Сг напрямую повлияет на энергозапас смеси Е, а значит и на мощность самого взрыва, которая прямо пропорционально увеличивается в зависимости от повышения температуры или давления технологического процесса.

Третья глава посвящена разработке методики определения расчетных величин пожарных рисков при взрывах сосудов под давлением. Алгоритм предлагаемой методики по расчету величин пожарного риска при взрывах сосудов под давлением приведен на рисунке 4.

Основными отличиями предлагаемой нами методики от действующей методики являются:

- углубленный анализ возможности протекания взрывных превращений;

- учет влияния температуры и давления технологического процесса на расчетные значения пожарного риска;

- возможность нахождения значений пожарного риска при взрывах топливовоздушных смесей при разгерметизации сосудов под давлением, расположенных внутри зданий;

- возможность нахождения вероятности поражения человека от взрыва, используя единый детерминированный критерий поражения ударной взрывной волной.

Рисунок 4 - Алгоритм оценки пожарных рисков при взрывах сосудов под

давлением

Предполагается, что взрыв не произойдет, если хотя бы для одного из трех нижеприведенных параметров не будет выполнено условие:

1) энергия тепловыделений при реакции горения должна превысить 2 МДж. Энергия тепловыделений складывается из количества энергии, которое выделится при реакции горения Ь-го горючего вещества и энергии химической реакции, происходящей в аппарате при нормальном эксплуатационном режиме работы. Данное положение выражается зависимостью представленной на рисунке 5;

Рисунок 5 — График зависимости температуры от времени в горючей системе при наличии в ней объемного тепловыделения за счет химической реакции: Утв — скорость тепловыделения, Утл — скорость теплопотерь

2) на основании исследований Таубкина С.И., базирующихся на результатах случайных взрывов, для образования взрывоопасного облака необходимо минимум 100 кг для смесей водорода и метана и 2000 кг для остальных веществ. Это можно считать справедливым, ведь при выбросах малого объема опасного вещества газопаровоздушное облако может просто рассеяться;

- 3) при скорости горения, рассчитанной по выражению (3) и меньшей значения 100 м/с, горение не способно перерасти в дефлаграцию и тем более в детонацию, а значит и взрыва быть не может

и = гМ1/6, (3)

где 1 - константа учитывает интенсивность горения веществ, справочный параметр;

М - масса горючего вещества, содержащегося в облаке, кг.

Для упрощения расчета величин пожарного риска был выделен единый детерминированный критерий поражения от ударной взрывной волны -избыточное давление взрыва (ЛР), которое определяется из формулы

АР=РХ-Р0, (4)

где р^ — безразмерное расстояние для заданных мощности и расстояния от эпицентра взрыва до произвольной точки в пространстве, определяемое в зависимости от ожидаемого режима сгорания; р0 — атмосферное давление, равное 105 кПа.

Далее в работе приведены результаты по определению вероятности поражения людей, находящихся на открытой местности, в зависимости от значения избыточного давления взрыва, которые представлены в таблице 1. Таблица 1 - Значения вероятности поражения людей на открытой местности

Условная вероятность поражения, % Величина избыточного давления взрыва АР, кПа

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 - . 9,83 12,64 15,45 18,26 21,07 23,88 26,69 29,51 32,32

10 35,13 37,94 40,75 43,56 46,37 49,18 51,99 54,8 57,62 60,43

20 63,24 66,05 68,86 71,67 74,48 77,3 80,11 82,92 85,73 88,54

30 91,36 94,17 96,98 99,79 102,6 105,4 108,2 111,0 113,9 116,7

40 119,5 122,3 125,1 127,9 130,7 133,5 136,4 139,2 142,0 144,8

50 147,6 150,4 153,2 156,0 158,8 161,7 164,5 167,3 170,1 172,9

60 175,7 178,5 181,3 184,2 187,0 190,0 192,6 195,4 198,2 201,0

70 203,8 206,7 209,5 212,3 215,1 217,9 220,7 223,5 226,3 229,1

80 232,0 234,8 237,6 240,4 243,2 246,0 248,8 251,6 254,5 257,3

90 258,8 260,2 261,7 263,2 264,7 266,1 267,6 269,1 270,5 272,0

99 273,5 275,0 276,5 278,0 279,5 281,0 282,5 284 285,5 287,0

Для проверки достоверности результатов по воздействию избыточного

давления взрыва на людей, находящихся на открытой местности, были проведены исследования в программном комплексе /\NSYS.

Была смоделирована модель человека со следующими упрощениями:

- модель однородна, т.е. физические и механические свойства элементов части тела человека (кости, кожные покровы, мышцы и т.д.) взяты идентичными;

- модель зафиксирована в пространстве под действием силы гравитации;

- ударная взрывная волна воздействовала на модель под прямым углом.

В компьютерных опытах предполагалось, что нагрузка, действующая на созданную модель человека при ее взаимодействии с взрывной волной, может быть определена независимо от реакции самой модели на это взаимодействие и

что модель человека является жестким твердым телом, на котором могут происходить процессы отражения и дифракции взрывных волн, приводящие к изменению первоначальной картины течения за фронтом взрывной волны.

В процессе исследований производились проверки для моделей человека различной массы (50, 70 и 100 кг), одинаковой высоты (170 см). Результаты моделирования приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Результаты компьютерного моделирования

Модель Значение избыточного давления взрыва АР, кПа

10 30 50 100 200 300

50 кг - - - + + +

70 кг - - - - + +

100 кг - - - - - +

Примечание: в случаях «+» - безусловная гибель человека

Было проведено сравнение результатов компьютерного моделирования с результатами имеющихся в литературе исследований по воздействию избыточного давления взрыва на людей, находящихся на открытом пространстве (таблица 3). По результатам сравнения сделан вывод о том, что большинство ранее известных исследований подтверждают результаты компьютерного моделирования.

Таблица 3 — Данные сторонних исследований по воздействию избыточного давления взрыва на людей, находящихся на открытой местности

Авторы исследований Значение избыточного давления взрыва ДР, кПа

50 100 200 300

Г.П. Демиденко, Е.П. Кузьмеико, П.П. Орлов, В.И. Уткин, A.M. Козлитин, Б.Н. Яковлев + +

Б.С. Мастрюков - - - +

S. Glasstone, P.J. Dolan - - - -

Примечание: в случаях «+» - безусловная гибель человека

Нами предложен расчет избыточного давления взрыва по приказу МЧС России от 25 марта 2009 года №189 для оценки величин пожарного риска при взрывах сосудов под давлением, находящихся внутри зданий. Значение избыточного давление взрыва в здании АР для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов С, Н, О, N. С1, Вг, I, Р, может быть определено по выражению:

^ тг 100 1 АР = (Ртт-Р0)-~--—-тг-. (5)

' св Рг,п Лн

где Ртах — максимальное давление, развиваемое при сгорании стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, определяемое экспериментально или по справочным данным. При отсутствии данных допускается принимать Ршах равным 900 кПа (по водороду);

р0 — начальное давление, кПа (допускается принимать равным 101

кПа);

т — масса газо-паровоздушной смеси, вышедшей в результате расчетной аварии в помещение, кг;

2 — коэффициент участия горючих газов и паров в горении, принимается в зависимости от агрегатного состояния вещества и его начальной температуре;

Усв — свободный объем помещения, м3. Свободный объем помещения определяется как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием. Если свободный объем помещения определить невозможно, то его допускается принимать условно, равным 80 % геометрического объема помещения;

рг п — плотность газа или пара при расчетной температуре кг ■ м 3;

С„ — стехиометрическая концентрация горючего газа или паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, % (объемных);

Кн - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и не-адиабатичность процесса горения.

Расчет избыточного давления взрыва АР для индивидуальных веществ, не учтенных выражением (5), а также для смесей может быть выполнен по формуле

др _ тНгР0г 1

" УсвРвСрТ0 ' К„ ' (6)

где Нт — теплота сгорания, Дж • кг-1;

рв — плотность воздуха при начальной температуре То, кг • м-3; Ср — теплоемкость воздуха, Дж ■ кг"1 • КГ1 (допускается принимать равной 1,01 • 103, Дж • кг"1 • К"1);

Г0 — начальная температура воздуха, К.

Избыточное давление взрыва было привязано напрямую к вероятности поражения людей, находящихся внутри здания (таблица 4). Таблица 4 - Значения вероятности поражения людей при взрывах сосудов под

давлением, находящихся внутри зданий

Условная вероятность поражения, % Величина избыточного давления взрыва АР, кПа

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 - 7,25 8,13 9,01 9,9 10,78 11,67 12,55 13,43 14,32

10 15,2 16,08 16,96 17,85 18,73 19,61 20,5 21,38 22,26 23,15

20 24,03 24,91 25,8 26,68 27,56 28,44 29,33 30,21 31,09 31,98

30 32,86 33,74 34,62 35,51 36,39 37,27 38,16 39,04 39,92 40,81

40 41,69 42,57 43,45 44,34 45,22 46,1 46,99 47,87 48,75 49,64

50 50,52 51,4 52,28 53,17 54,05 54,93 55,82 56,7 57,58 58,47

60 59,35 60,23 61,11 62,0 62,88 63,76 64,65 65,53 66,41 67,3

70 68,18 69,06 69,94 70,83 71,71 72,59 73,48 74,36 75,24 76,13

80 77,01 77,89 78,77 79,66 80,54 81,42 82,31 83,19 84,07 84,96

90 85,84 86,72 87,6 88,49 89,37 90,25 91,24 92,12 93,0 93,89

99 94,77 95,65 96,53 97,42 98,3 99,18 100,1 101,0 102,5 103,1

В четвертой главе произведены сравнительные расчеты взрыва кавитационно-вихревого сепаратора, используемого на участках первичной подготовки нефти, по приказу №404 и разработанной методике.

Выбор объекта исследования обусловлен высокой взрывоопасностью данного типа аппаратов: аппарат подвержен воздействию значительного

количества сернистых соединений, работает при высоком давлении и повышенной температуре, содержит большое количество взрывоопасных веществ. Принципиальная схема данного сепаратора приведена на рисунке 6.

1, 2, 3 - патрубки ввода абсорбента; 4 - выход жидкости; 5 - выход очищенного газа; 6 - вход очищаемого газа; 7 - перегородки; 8 - корпус; 9 - распыляющие

форсунки

Рисунок 6 - Принципиальная схема сепаратора Исходными данными для расчета были: давление в аппарате 3,5 МПа; температура подаваемого сырья 120-140 °С; объем аппарата V = 116,35 м3; среда - нефть + сероводород; расход сероводорода 380 ООО м3/сут; содержание сероводорода в аппарате — 1,8% от общего объема.

При проведении расчетов был выбран следующий сценарий аварии: разгерметизация сепаратора и обрыв отводящего сероводород трубопровода —> утечка (выброс) сероводорода —+ образование взрывоопасной газовоздушной смеси —* хлопок (взрыв) взрывоопасного газовоздушного облака при наличии источника зажигания —» воздействие ударной волны взрыва, поражение людей. Ситуационный план приведен на рисунке 7.

объект

выбранный радиус 20 м от эпицентра взрыва

Рисунок 7 - План на местности для расчетного сценария взрыва Результаты расчета по определению избыточного давления взрыва приведены в графической форме и в виде отстроенных полей опасных факторов взрыва на рисунках 8-9.

1 — разработанная методика

2-і— приказ 404

Рисунок 8 - График избыточного давления взрыва в зависимости от расстояния от эпицентра взрыва

иа.а-йаяФй! _ Я, , 50% разрушение зданий (Р=53 кПа) I | - К:, средние повреждения зданий (Р=28 кПа)

- Я}, щеренные повреждения зданий (Р=12 кПа)

Рисунок 9 - Поля опасных факторов взрыва (слева - по Методике [Приказ

404], справа по - разработанной методике) Выполненный расчет показал, что при использовании существующей методики по Приказу №404 значения величин пожарных рисков получаются заниженными. Это связано с отсутствием формул и выражений, учитывающих прямое влияние параметров технологического процесса на значения рассчитываемых параметров риска.

Был рассмотрен случай, при котором рассматриваемый горизонтальный сепаратор (рисунок 6), находится в помещении размерами в плане 20 на 10 метров. Происходит авария данного сосуда под давлением, в результате которой происходит высвобождение 2118 кг сероводорода, а с зеркала пролива за расчетное время испаряется 1872 кг углеводородных газов, участвующих в образовании взрывоопасного облака с дальнейшей дефлаграцией.

В результате расчетов аварии горизонтального сепаратора в помещении получены: избыточное давление взрыва ДР=18,2 кПа, расчетное значение индивидуального пожарного риска в помещении Ят=5-10"8.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Определены основные параметры и их граничные значения, влияющие на вероятность возникновения взрыва топливовоздушных смесей, образованных при разгерметизации сосудов под давлением: масса вещества, способная участвовать в образовании взрывоопасного облака, скорость горения и энергия тепловыделений.

2 Построена номограмма давления насыщенных паров для нефтей, которая позволяет находить массу испарившихся паров горючего вещества с зеркала пролива.

3 Выведена зависимость между критической концентрацией горючего компонента в облаке газовоздушной смеси, температурой технологического процесса и нижним концентрационным пределом воспламеняемости горючего вещества.

4 Предложено определение значений вероятности поражения людей от взрыва с использованием единого детерминированного критерия поражения -избыточного давления взрыва. Получена зависимость между двумя этими параметрами в табличном виде.

5 Предложен алгоритм расчета величин пожарного риска при взрывах топливовоздушных смесей, образованных при разгерметизации сосудов под давлением, находящихся внутри зданий.

6 Разработана методика определения расчетных величин пожарного риска при взрывах сосудов под давлением.

Основное содержание диссертации опубликовано в научных трудах: в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК:

1 Краснов, А. В. Особенности расчета индивидуального пожарного риска при взрывах химических реакторов / A.B. Краснов, Э.Г. Хафизова [Текст] // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2012. -№ 1(87).- С. 109-116.

2 Хафизов, Ф. Ш. Давление насыщенных паров для нефтепродуктов / Ф.Ш. Хафизов, A.B. Краснов [Электронный ресурс] П Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2012. - № 3. - С. 406-412. URL: http://vmw.ogbus.ru/authors/KhafizovFSh/KhafizovFSh_l O.pdf

3 Хафизов, И.Ф. Усовершенствование методики определения частоты возникновения пожара для зданий различного класса функциональной пожарной опасности / И.Ф. Хафизов, A.B. Краснов [Текст] // Нефтегазовое дело. -2012.-№10.-С. 179-182.

В прочих печатных изданиях:

4 Краснов, А. В. Разработка декларации пожарной безопасности установки «Гидрокрекинг» ОАО «Уфанефтехим» / A.B. Краснов, Ф.Ш. Хафизов // Сборник трудов 61-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. - Уфа: Издательство УГНТУ, 2010. -С. 249-250.

5 Хафизов, Ф.Ш. Особенности расчета индивидуального пожарного риска при взрывах химических реакторов / Ф.Ш. Хафизов, A.B. Краснов, И.А. Мухин // Сборник трудов II Всероссийской с международным участием научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы». - Воронеж: Воронежский институт Государствейной противопожарной службы, 2011. - С. 345.

6 Теплова, А. В. Оценка пожарного риска установки получения элементарной серы ОАО «Уфанефтехим» / A.B. Теплова, P.P. Байбазарова, A.B. Краснов // Сборник трудов 62-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ». - Уфа: Издательство УГНТУ, 2011.-С. 245.

7 Серегородцева, С. Ю. Анализ взрывоопасности аппаратов под давлением на примере установки каталитического крекинга / Ю.С. Серегородцева, A.B. Краснов // Сборник трудов 63-й научно-технической

конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. Издательство УГНТУ, 2012. - С. 289.

Подписано в печать 21.11.2013. Бумага офсетная. Формат 60x84 Vi6 Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 90. Заказ 201

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

На правах рукописи

04201455683

КРАСНОВ АНТОН ВАЛЕРЬЕВИЧ

Разработка методики определения расчетных величин пожарных рисков при взрывах сосудов под давлением

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

(нефтегазовая отрасль)

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Хафизов Фаниль Шамильевич

Уфа-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................................................................................................5

Научная новизна..............................................................................................................................................................7

Методы исследования......................................................................................................................................8

Основные защищаемые положения........................................................................................................8

Научная новизна........................................................................................................................................................8

Практическая значимость работы............................................................................................................8

Апробация работы......................................................................................................................................................8

1 Оценка состояния пожарной и промышленной безопасности предприятий нефтегазовой отрасли..........................................................................................................................10

1.1 Основные опасности нефтегазовой отрасли промышленности..................................................................................................................................................................................10

1.2. Анализ причин взрывопожароопасных ситуаций......................................................15

1.3 Статистика по взрывопожароопасным ситуациям на предприятиях нефтегазовой отрасли промышленности........................................................................................19

1.4 Особенности взрывоопасных ситуаций..................................................................................22

1.5. Классификация взрывов и взрывных явлений..............................................................26

1.6. Взаимодействие воздушной ударной волны с наземными объектами... 30

1.7 Анализ пожарных рисков......................................................................................................................32

1.8. Основы подготовки нефти к переработке............................................................................34

1.8.1 Основные способы сепарации....................................................................................................34

2 Методы оценки величин пожарных рисков для сосудов под давлением 38 2.1 Методы анализа риска опасных объектов нефтегазовой отрасли................38

2.1.1 Методы «Проверочного листа»................................................................................................39

2.1.2 «Анализ вида и последствий отказов»..................................................................................40

2.1.3 «Анализ опасности и работоспособности»......................................................................42

2.1.4 Анализ «дерева событий» и «дерева отказов»..............................................................45

2.1.5 Методы количественного анализа риска............................................................................50

2.2 Методы определение частоты реализации взрывопожароопасной ситуации........................................................................................................................................................................52

2.3 Методы определения давления насыщенных паров нефти и нефтепродуктов..............................................................................................................................................................................55

2.4 Метод определения концентрации горючего вещества в облаке TBC.... 68 3 Разработка методики определения величин пожарных рисков при взрывах аппаратов под давлением....................................................................................................................74

3.1 Анализ возможности возникновения взрывопожароопасной ситуации.. 76

3.2 Определение величины пожарного риска при взрывах сосудов под давлением, расположенных на открытых технологических площадках............79

3.2.1 Определение массы газовоздушной смеси..................................................................79

3.2.2 Определение ожидаемого режима сгорания вещества........................................82

3.2.3 Классификация окружающего пространства по степени загромож-денности........................................................................................................................................................................83

3.2.4 Классификация горючих веществ по степени чувствительности................84

3.2.5 Определение эффективного энергозапаса TBC......................................................85

3.2.6 Определение избыточного давления взрыва и вероятности поражения людей при взрывах на открытых технологических площадках........................86

3.2.7 Детонация газовых и гетерогенных TBC..........................................................................86

3.2.8 Дефлаграция газовых и гетерогенных TBC....................................................................87

3.2.9 Определение вероятности поражения людей при взрыве на открытых технологических площадках..................................................................................................................88

3.3 Определение величины пожарного риска при взрывах, происходящих внутри зданий............................................................................................................................................................95

3.3.1 Определение массы газопаровоздушной смеси..........................................................95

3.3.2 Определение избыточного давления взрыва в помещении............................97

3.3.3 Определение вероятности поражения людей при взрывах TBC в помещениях......................................................................................................................................................................99

4 Расчет кавитационно-вихревого сепаратора на участке первичной под-

готовки нефти............................................................................................................................................................105

4.1 Исходные данные для проведения расчетов....................................................................107

4.2 Анализ возможности возникновения взрывопожароопасной ситуации.. 109

4.3 Расчет ударной взрывной волны....................................................................................................112

4.3.1 Определение эффективного энергозапаса смеси........................................................113

4.3.2 Расчет избыточного давления взрыва и импульса фасы сжатия..................113

4.4 Расчет величин индивидуального пожарного риска....................................................116

4.5 Расчет пожарного риска при взрыве в помещении......................................................119

Общие выводы........................................................................................................................................................123

Список литературных источников........................................................................................................124

Введение

Во второй половине XX века интенсивное развитие получила такая наука как пожарная и промышленная безопасность. В первую очередь это связано с ростом промышленного производства, повышением его концентрации, усложнением технологий, использованием широкой номенклатуры новых видов веществ, участвующих в технологических процессах, и др. Все это привело к тому, что происходящие техногенные аварии стали носить все более катастрофический характер, оказывая пагубное воздействие на здоровье людей и окружающую природную среду.

Авариям на предприятиях нефтегазовой отрасли характерны большие объемы выброса взрывопожароопасных веществ, образующие облака топли-вовоздушных смесей, разливы нефтепродуктов и как следствие - пожары, взрывы, разрушение аппаратов и целых установок.

Наибольшая аварийность в данное время наблюдается на узлах первичной подготовки нефти, связана она, прежде всего с достаточно быстрым износом технологического оборудования (преимущественно его коррозией) под воздействием сернистых соединений, которые в больших количествах присутствуют в нефти Башкирии, Татарстана и других регионов Российской Федерации.

Основным технологическим оборудованием на узлах первичной подготовки нефти являются сепараторы, в которых происходит отделение сернистых соединений из нефти, и в свою очередь сернистые соединения оседают на стенки оборудования способствуя его дальнейшему ускоренному износу. Это оборудование работает в сложных условиях эксплуатации, при высоком внутреннем давлении и высокой температуре, кроме этого, сепараторы содержат значительное количество углеводородного сырья. Конструктивные особенности аппаратов таковы, что они имеют значительную высоту и рас-

полагаются на открытых площадках, что, в случае аварии, может приводить к истечению продукта с последующим образованием взрывоопасного облака.

Анализ статистической информации об авариях, связанных с взрывами, показал, что такие аварии чреваты тяжелыми последствиями, сопровождающимися поражением людей и разрушением окружающих промышленных объектов.

На сегодняшний день остаются слабо освещенными вопросы, относящиеся к практическому расчету и прогнозированию последствий аварий путем определения расчетных величин пожарного риска. Трудности проведения достоверных расчетов связанны, прежде всего, с нехваткой справочных данных, отсутствием формул показывающих, влияния параметров технологического процесса на ход рассчитываемой аварии и др.. Появление и развитие новых программных комплексов, таких как ANSYS, а также мощной компьютерной техники позволяет существенно продвинуться в более детальном изучении рассматриваемой проблемы с учетом многих особенностей протекания взрывных превращений.

Основу исследований диссертации составили теоретические и практические работы в области оценки взрывных явлений отечественных и зарубежных ученых, в числе которых: Баренблатт Г.И., Бесчастнов М.В., Брей-ман М.И., Волков О.М., Власов O.E., Гельфан Б.Е., Годжелл М.Г., Губин С.А., Евдокимов Г.И., Забегаев A.B., Захаров Н.М., Зельдович Я.Б., Ильин К.А., Иляева М.А, Ларионов В.И., Ковалев Е.М., Котляревский В.А., Кудрявцев Е.А., Кузеев И.Р., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М., Махутов H.A., Михалкин В.Н., Покровский Г.И., Солодовников A.B., Станюкович К.П., Стороженко Ю.В., Сущев С.П., Таубкин С.И., Таубкин И.С., Тляшева P.P., Хуснияров М.Х., Шаргатов В.А, Шевердин A.B., Ягофоров P.P. и др.

На основании вышеизложенного, были определены основные задачи исследования:

- выделить основные параметры и их граничные значения, влияющие на вероятность возникновения взрывов топливовоздушных смесей, образованных в результате разгерметизации сосудов под давлением;

- получить экспериментальные данные по давлению насыщенных паров различных видов нефти в зависимости от температуры технологического процесса;

- установить зависимость между концентрацией горючего вещества в смеси, температурой технологического процесса и нижним концентрационным пределом воспламеняемости вещества;

- с целью повышения достоверности получаемых в ходе расчета величин пожарного риска результатов, а так же для уменьшения трудозатрат на нахождение вероятности поражения людей от ударной взрывной волны, выявить основной детерминированный критерий поражения при взрывах топливовоздушных смесей. Найти зависимость между детерминированным критерием и вероятностью поражения;

- для прогнозирования аварийных взрывов топливовоздушных смесей в помещениях, разработать алгоритм нахождения пожарных рисков для сосудов под давлением, находящихся внутри зданий;

- для прогнозирования последствий аварийных взрывов на объектах первичной подготовки нефти разработать методику расчета величин пожарных рисков при взрывах сосудов под давлением.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследований: методы, базирующиеся на сборе актуальной информации на объектах нефтегазовой отрасли; экспериментальный метод определения свойств нефтепродуктов, в том числе взрывопожароопасных; эвристические методы, основанные на экспертных оценках специалистов; методы математической статистики; методы расчета пожарных рисков.

Основные защищаемые положения

1 Алгоритм определения расчетных величин пожарных рисков при взрывах сосудов под давлением, находящихся внутри зданий.

2 Метод определения концентрации горючего вещества во взрывоопасной топливовоздушной смеси с учетом температуры технологического процесса.

Научная новизна

1. Разработана методика определения величин пожарного риска при взрывах сосудов под давлением.

2. Получена зависимость между концентрацией горючего компонента в облаке газопаровоздушной смеси (более 0,5 % об.), температурой технологического процесса и нижним концентрационным пределом воспламеняемости вещества, находящегося в сосуде под давлением.

Практическая значимость работы

Разработанная методика использовалась для оценки величин пожарных рисков при взрывах сосудов под давлением, находящихся в помещениях цеха №6 ОАО «Мелеузовские минеральные удобрения». Также результаты работы внедрены в учебный процесс при выполнении контрольных и практических работ по дисциплине «Пожарная безопасность в строительстве» для подготовки инженеров специальности 280104 «Пожарная безопасность» (направление 280100 «Безопасность жизнедеятельности»).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

II Всероссийской с международным участием научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» Воронежский институт Государственной противопожарной службы, Воронеж, 2011 г.;

61-й, 62-й и 63-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2010-2012).

Основное содержание работы изложено в 8 публикациях, из них 3 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, вошедших в перечень ВАК.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы, включающего 114 наименования; изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 31 таблицу.

Работа выполнена на кафедре «Пожарная и промышленная безопасность» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

1 Оценка состояния пожарной и промышленной безопасности предприятий нефтегазовой отрасли

Во второй половине XX века интенсивное развитие получила такая наука как пожарная и промышленная безопасность. Предпосылкой этому стали во первых рост и повышение концентрации для промышленных предприятий, усложнение технологических процессов производства, использование огромного количества горючих газов, жидкостей и легковоспламеняющихся веществ в процессах, а так же другие не менее значимые факторы развития нефтегазовой отрасли промышленности. Следствием вышесказанного явились более часто возникающие техногенные аварии, которые приносят все более масштабные и катастрофические последствия для инфраструктуры, как отдельных городов, так и страны в целом, принося гибели людей и огромный материальный ущерб.

1.1 Основные опасности предприятий нефтегазовой отрасли промышленности

Сохранение на должном, нормативном уровне системы пожарной и промышленной безопасности является одним из ключевых аспектов интересов личности и общества в защите от техногенных аварий на объектах нефтегазовой промышленности и, безусловно, является актуальной в свете развития топливно-энергетического комплекса территории Российской Федерации.

Особую роль для топливно-энергетического комплекса России являются объекты нефтегазовой промышленности, к которым можно отнести узлы по первичной подготовки нефти, установки каталитического и термического крекинга и другие опасные производственные объекты.

На сегодняшний день на территории Российской Федерации функционирует 27 больших нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ), 180 средних и мелких НПЗ и 6 специализированных заводов, совокупность мощностей заводов 229 млн.т. в год [1,2]. Усредненная мощность в пересчете на один НПЗ составляет 7,8 млн.т. в год. Половина всех НПЗ сосредоточено в Поволжском Федеральном округе и на Урале; в Республике Башкортостан расположено 5 крупных НПЗ - мощностью порядка 50 млн.т. в год. Так же наибольшее количество (второе и третье места соответственно) НПЗ расположено в Сибири (19%) и Центральной России (16%). Топливно-энергетический комплекс в России из года в год расширяется и увеличивается [1,3].

В 2011 году согласно статистическим данным на территории Российской Федерации насчитывалось 5856 организаций, за которыми числились объекты нефтегазовой и нефтеперерабатывающей отрасли промышленности, из них 227 организаций по эксплуатации нефтеперерабатывающих заводов, 178 эксплуатирующих нефтехимические заводы, 5222 организации и предприятия связанные с нефтепродуктообеспечением, из них 929 эксплуатирует нефтебазы, 661 эксплуатирует мазутохранилища, так же на территории России 1810 складов ГСМ и 11 777 АЗС [4].

Из общего количества нефтеперерабатывающих объектов, находящихся на территории Российской Федерации шесть эксплуатируются с начала XIX века, еще шесть введены в эксплуатацию до 1950г., а восемь введены до 1960г., из этого вытекает, что 20 опасных заводов работает в непрерывном режиме уже более, чем 50 лет [1].

В связи с вышесказанным текущее техническое состояние объектов нефтегазовой промышленности, эк�