автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Устойчивость цистерны с нефтепродуктом к воздействию тепловых потоков пожара

ХАБИБУЛИН РЕНАТ ШАМИЛЬЕВИЧ

УСТОЙЧИВОСТЬ ЦИСТЕРНЫ С НЕФТЕПРОДУКТОМ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ПОЖАРА

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на срискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗОБЭ411

003059411

ХАБИБУЛИН РЕНАТ ШАМИЛЬЕВИЧ

УСТОЙЧИВОСТЬ ЦИСТЕРНЫ С НЕФТЕПРОДУКТОМ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ПОЖАРА

Специальность- 05 26.03 Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России

Научный руководитель-

доктор технических наук, доцент Сучков В.П.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Кошмаров Ю А.

кандидат технических наук Шаталов А А

Ведущая организация- ФГУ «Всероссийский ордена «Знак почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России

Защита состоится "30" мая 2007 г. в 14 00 часов на заседании диссертационного совета Д 205 002 02 в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, 4, зал Совета

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан "28" апреля 2007 г., исх. № б/2<$ .

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить в Академию ГПС МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок- (495) 683-19-05

Ученей секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

С.В. Пузач

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России и в других странах отмечается рост объемов и интенсивности потребления нефтепродуктов, обладающих высокой пожарной опасностью Одновременно с ростом потребления происходит и рост количества чрезвычайных ситуаций в результате возникновения аварийных проливов, пожаров и взрывов, вызванных возгоранием нефтепродуктов Анализ пожаров, возникающих на объектах нефтепро-дуктообеспечения, показывает, что при пожарах пролива возникает опасность аварийного нагрева цистерн с нефтепродуктами

Интенсивное тепловое воздействие очага пожара на цистерну с нефтепродуктом может привести к достижению критических температур корпуса цистерны по условию самовоспламенения паров нефтепродукта, образованию неравномерного температурного поля корпуса цистерны, что в свою очередь может привести к ее разрушению вследствии возникновения тепловых деформаций и изменения прочностных характеристик материала конструкции

Разработка и использование эффективных мер и методов предотвращения последствий аварийных ситуаций, вызванных воздействием тепловых нагрузок пожара на цистерны с нефтепродуктом, требуют применения расчетных методик для прогнозирования их пожаровзрывоопасного состояния с учетом теплового и напряженно-деформированного состояния корпуса цистерны

Таким образом, актуальность проводимой работы обусловлена необходимостью развития методик теплотехнических расчетов температурного поля корпуса цистерны с нефтепродуктом в условиях воздействия тепловых потоков пожара на основе теоретических и экспериментальных исследований сопряженных процессов теплового воздействия очага пожара и внутренних тепломассообменных процессов в цистерне

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является цистерна с нефтепродуктом в условиях пожара Предметом исследования являются закономерности сопряженных процессов теплового воздействия очага пожара и внутренних тепломассообменных процессов в цистерне

Цель работы. Разработка методики расчета нестационарного температурного поля корпуса цистерны с нефтепродуктом в условиях воздействия тепловых потоков пожара для решения практических задач по прогно-

зированию и предотвращению аварийных ситуаций, принятия мер противопожарной защиты.

Основные задачи работы:

- анализ причин и особенностей развития пожаров, при которых происходит тепловое воздействие пожара на конструкцию цистерны с нефтепродуктом, а также результатов такого воздействия;

г разработка математической модели по определению интенсивности теплового воздействия очага пожара на корпус цистерны с нефтепродуктом, его нестационарного температурного поля в сопряженной постановке задачи,

- разработка методики и проведение огневых экспериментов с целью получения новых данных о закономерностях теплового воздействия очага пожара и изменения температурного поля корпуса цистерны, оценки адекватности разработанной математической модели;

- проведение численных расчетов с использованием разработанной математической модели для решения практических задач по прогнозированию и предотвращению аварийных ситуаций в условиях воздействия тепла пожара на цистерну с нефтепродуктом.

Методы исследований. Решение поставленных задач осуществляется нр основе методов математического моделирования, численных расчетов и натурных огневых экспериментов.

Научная новизна работы. Предложена математическая модель, методика численного расчета температурного поля корпуса горизонтальной цистерны с нефтепродуктом при воздействии тепловых потоков пожара, учитывающая сопряженные процессы тепло- и массообмена в цистерне и достоверность которой подтверждена натурными экспериментальными исследованиями.

Достоверность научных положений и выводов, изложенных в диссертации, основана на использовании апробированных физико-математических методов моделирования, использовании современных численных методов, полученных экспериментальных данных, сравнении с экспериментальными данными других исследователей

Практическая значимость работы состоит в том, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют: определять предельное тепловое нагружение конструкции цистерны, осуществлять последующий расчет ее напряженно-деформированного состояния, обос-

новывать выбор средств тепловой защиты, определять безопасные условия ликвидации пожаров цистерн

Внедрение результатов исследования. Результаты исследования используются следующими организациями: ОАО «Бецема» для оценки устойчивости конструкций цистерн к воздействию лучистых тепловых потоков и открытого пламени пожара, ОАО «Уралтранснефтепродукт» для организации мероприятий по предотвращению и тушению пожаров технологического оборудования автоцистерн для перевозки нефтепродуктов на сли^р-наливных эстакадах Проведенные теоретические и экспериментальные исследования были использованы при разработке «Рекомендаций цо тактике действий подразделений пожарной охраны при пожарах на автоцистернах для перевозки легковоспламеняющихся и горючих жидкостей» Результаты работы используются в учебном процессе Академии ГПС МЧС России

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 8 научных работ.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на научно-практических конференциях «Пожары и окружающая среда», «Снижение риска гибели людей при пожарах» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2002, 2003 гг.), научно-технических конференциях «Системы безопасности» (Москва, Академия ГПС МЧС России, 2002 - 2006 гг.), научно-практической конференции «Деятельность правоохранительных органов и Государственной противопожарной службы» (Иркутск, ВосточноСибирский институт МВД России, 2002 г.), научно-практической конференции «ЧС техногенного характера при эксплуатации городских автодорожных тоннелей» (Москва, РАН, 2003 г.).

На защиту выносится. В диссертации получены следующие результату, которые выносятся на защиту

1. Методика расчета интенсивности теплового воздействия на корпус цистерны с нефтепродуктом, его нестационарного температурного поля в условиях пожара с учетом сопряженности происходящих тепломассообменах процессов.

2 Методика и результаты экспериментального исследования о воздействии тепловьрс потоков очага пожара на корпус цистерны в виде гори-

зонтального эллиптического цилиндра, изменения его температурного по-

3. Методика и результаты проведенных численных расчетов, позволяющих прогнозировать развитие и проводить оценку опасности аварийной ситуации при тепловом воздействии очага пожара на корпус цистерны с нефтепродуктом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из перечня обозначений физических величин и индексов, введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 148 страниц, в том числе 36 рисунков, 7 таблиц и списка литературы из 156 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, излагаются основные положения работы, выносимые на защиту, даются сведения, характеризующие практическую значимость результатов исследования, их апробацию и публикацию в научно-технической литературе

В первой главе проведен анализ статистических данных о более 100 авариях, возникших на объектах нефтепродуктообеспечения с 2000 по 2006 гг. Изучены причины и последствия пожаров, при которых цистерна с нефтепродуктом попадает в зону воздействия лучистых тепловых потоков или очаг пожара.

Результаты исследования показывают, что при 84 % всех аварий происходят проливы нефтепродуктов, больше четверти из которых переходит в пожар. В 16 % случаев происходит пожар цистерны, таким образом, примерно в 40 % всех рассмотренных случаях возникает пожар цистерны или аварийного пролива, что может привести к воздействию мощных ерешних тепловьрс нагрузок на цистерну с нефтепродуктом.

С учетом проведенного анализа разработана обобщенная модель развития пожаров, при которых возникает опасность аварийного нагрева цистерны с нефтепродуктом. На основе модели определены наиболее критические состояния цистерны, которые возникают при воздействии тепловых нагрузок пожара. Определены основные положения оценки устойчивости системы «цистерна с нефтепродуктом» в условиях воздействия тепловых потоков пожара Устойчивое состояние характеризуется выполнением сле-

дующих двух условий:

- локальная температура стенки цистерны (ГД ограничивающей паровоздушное пространство не достигает опасного значения, равного температуре самовоспламенения паров нефтепродукта (Тсв):

(1)

локальные эквивалентные напряжения (сг„), возникающие в стенке корпуса цистерны вследствие неравномерного температурного поля корпуса и избыточного давления паров внутри цистерны, не достигают напряжения соответствующему пределу текучести материала стенки (ат):

0-„<сгт (2)

Проведен обзор исследований в области разработки методов расчета теплового воздействия пожара на цистерны с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями. Результаты обзора показывают, что существующие в настоящее время методики расчета интенсивности теплового воздействия очага пожара, температуры стенок цистерны и содержимого не достаточно полно учитывают сопряженность происходящих процессов теплового взаимодействия очага пожара и конструкции цистерны и внутренних теп-дообменных процессов. Это не позволяет комплексно анализировать и прогнозировать пожаровзрывоопасное состояние цистерны, разрабатывать и обрснованно применять средства тепловой защиты

В рассмотренных методиках расчета отсутствует возможность учитывать схемы теплообмена, непосредственно влияющих на температурное поле корпуса цистерны:

- лучистый теплообмен в системе «внешняя поверхность корпуса горизонтальной цистерны - излучающая поверхность пламени очага пожара» с учетом локальщох коэффициентов облученности между элементами поверхностей,

- конвективной теплообмен между внутренними обогреваемыми, не обогреваемыми стенками корпуса цистерны и жидкостью, паровоздушной фазой, с учетом изменения их среднеобъемных температур во времени,

- лучистый теплообмен в системе «внутренние обогреваемые и не обогреваемые стенки цистерны — поверхность жидкости»

Сделан вывод о необходимости дальнейшего совершенствования методики теплотехнического расчета с учетом теоретического и экспериментального изучения происходящих сопряженных процессов теплообмена.

Во второй главе разработана математическая модель по определению интенсивности теплового воздействия очага пожара на корпус горизонтальной цистерны с нефтепродуктом, его нестационарного температурного поля в сопряженной постановке задачи

Рассматривается корпус цистерны в виде горизонтального цилиндра, частично заполненного нефтепродуктом. Свободный объем цистерны за-прлнрн смесью паров нефтепродукта и воздуха. В верхней части цистерны имеется предохранительный клапан, срабатывающий при достижении оп-редеденного давления паровоздушной смеси Рассматривается схема теплообмена, когда происходит односторонний боковой нагрев конструкции (рис 1)

Рис, I Физическая схема к обоснованию математической модели <{■»& Яг1 ~ интенсивность теплового потока очага пожара, при теплообмене внешней стенки цистерны с окружающей средой, при теплообмене внутренней стенки цистерны с паровоздушной фазой, при теплообмене внутренней стенки цистерны с жидкостью, при теплообмене внутренней стенки цистерны с поверхностью жидкости и при теплообмене паровоздушной смеси с жидкостью, Gg , Рг , Гг, 7) - расход, давление, среднеобъемная температура паровоздушной смеси и нефтепродукта, V/ - объем паровоздушной смеси и нефтепродукта, у/ — скорость испарения, 1 - предохранительный клапан, 2 — корпус цистерны

Учитываются следующие основные теплофизические процессы: - воздействие внешнего теплового потока на корпус цистерны;

- теплообмен наружной поверхности корпуса с окружающим воздухом,

- теплопроводность внутри стенки корпуса цистерны;

- теплообмен внутренней части корпуса цистерны с жидкостью и паровоздушной смесью;

т теплообмен между паровоздушной смесью и жидкостью,

- испарение жидкости;

- истечение паровоздушной смеси через предохранительный клапан при достижении давления его срабатывания

Составлена система уравнений, описывающая изменение во времени температуры стенки корпуса цистерны, жидкой и паровоздушной фаз, изменение массы жидкой и паровоздушной фаз

Уравнение нестационарной теплопроводности для стенки корпуса цистерны в двумерной постановке в цилиндрических координатах

¿71 .(¿2Т 1 с/Г Ы20

-г1 = К

(3)

с1г2 г ¿г г й<р2 }

где Г», - температура стенки корпуса, К; , р„, - удельная теплоемкости, Дж кг1 К"1, плотность, кг м"3, коэффициент теплопроводности, Вт-м' 1 К"1 материала стенки корпуса; гнд>- координаты цилиндрической системы крординат.

Внешние граничные условия теплообмена определяются исходя из друх вариантов теплового режима пожара: воздействие лучистых тепловых потоков очага пожара на расстоянии от цистерны и при непосредственном контакте факела пламени с корпусом цистерны.

В первом случае рассматривается система «излучающая поверхность факела пламени - внешняя поверхность корпуса горизонтальной цистерны» (рис. 2) со следующим граничными условиями на внешней поверхности корпуса цистерны:

-Л.

'ат.

¿) = -п)-а„а(т„-Та )-*еХ-, (4)

где а - постоянная Стефана-Больцмана, Вт-м'^К"4, 7} - температура излучающей поверхности факела пламени, К; Та - температура окружающего воздуха, К; е„ — коэффициент черноты поверхности корпуса цистерну, е"„рг - приведенный коэффициент черноты в рассматриваемой системе

теплообмена; угловой коэффициент облученности; - коэффициент конвективного теплообмена между внешней поверхностью корпуса цистерны и окружающим воздухом, Вт-м*2 К"1.

1 2

Рис 2 Схема внешнего лучистого теплообмена «излучающая поверхность факела пламени очага пожара - внешняя поверхность корпуса цистерны» 1 - корпус цистерны, 2 - излучающая поверхность факела пламени, А/ - высота излучающей поверхности факела пламени

Коэффициент облученности <р„/ между двумя элементами поверхности рассчитывается по формуле-

<Р,

1 Г Г

СОБД, • СОЭ Р

яг

(5)

где г — расстояние между элементарной площадкой dFf на излучающей поверхности факела пламени и элементарной площадкой поверхности корпуса цистерны р„ и /?/- углы между нормалью элементарной площадки и направлением лучистого потока тепла для площадок и ¿Г*.

Граничные урловия при непосредственном контакте факела пламени с поверхностью теплообмена- 4^} = - - Ъ) Ю

где а*/- коэффициент конвективного теплообмена между продуктами гореция и внешней поверхностью корпуса цистерны, Вт м" -К"

Граничные условия на внутренней стенке корпуса цистерны при контакте с паровоздушной фазой определяются конвективным теплообменом с паровоздушной фазой и лучистым теплообменом между внутренними поверхностями. Принятая схема лучистого теплообмена внутри конструкции представляет собой замкнутую излучающую систему, представленную тремя поверхностями, которые образуются в случае одностороннего бокового нагрева корпуса цистерны (рис. 3).

1-3

Рис 3 Внутренняя трехповерхностная замкнутая излучающая система Ткгя,Тке,Т3-средвде температуры внутренних поверхностей нагретой стенки, ненагретой стенки, поверхности зрадкости, Ы, ¿2, ЬЗ - размеры поверхностей теплообмена.

Таким образом, граничные условия на внутренней обогреваемой и не-обогреваемой стенке цистерны при контакте с паровоздушной фазой

= (7)

- =-)+л, „(с - с)- << - т;\ (8)

где ссц- коэффициенты конвективного теплообмена между внутренней обогреваемой и необогреваемой стенкой конструкции с паровоздушной фазой, Вт м"2-К~'; Т!=(Тй+Т!)/2 — температура поверхностного слоя жидкости, К; <р^ч <р„г, - угловые коэффициенты облученно-

сти; е^^уВ^, приведенные коэффициенты черноты.

Расчет приведенного коэффициента черноты рассматривается на примере «5,,

^ =_!_-

»««»г ( , ^ ( , у (9)

у

\ь-г У

Для системы из трех излучающих поверхностей при расчете коэффициентов облученцости использован метод поточной алгебры. С учетом равенства боковых поверхностей определены средние значения угловых коэффициентов облученности.

<Р,~а =* <Р, „ет = °>5'

Граничные условия на внутренней стенке цистерны при контакте с жидкостью:

'¿Т

= (Ю)

ч

где а*„I - коэффициент конвективного теплообмена между внутренней ртен^ой конструкции с жидкостью, Вт м"2 К"'

Коэффициенты конвективного теплообмена определены по следующим критериальным уравнениям:

- между внешней стенкой корпуса и окружающим воздухом

N11 = 0,5(6^ И

(П)

- между внутренней стенкой корпуса и паровоздушной фазой

Л^О.бВ^Рг^20 (12)

- между поверхностью жидкости и паровоздушной фазой

Ыи = 0,105(бг^ Рг? У'33 (13)

- между внутренней стенкой корпуса и жидкостью

Ми = 0,75{вгиРт1Т25 (14)

Расчет критериев Грасгофа йг и Прандтля Рг осуществляется с учетом теплофизических свойств воздуха, паровоздушной фазы и жидкости соответственно В качестве определяющего размера берется диаметр цистерны

а

Расчет коэффициента теплообмена осуществляется по формуле:

Nu-A (15)

Уравнение энергетического баланса в паровоздушной фазе.

dT

где ср с/ — изобарная удельная теплоемкость паровоздушной фазы, удельная теплоемкость жидкости, Дж-кг'1 К"1; mg — масса паровоздушной смеси, кг; ctgi, - коэффициент конвективного теплообмена между жидкостью и паровоздушной фазой, Вт м"2 К'1, Fwg, Fwgq, F, — площадь внутренней стенки корпуса цистерны с обогреваемой стороны и необогреваемой стороны при контакте с паровоздушной смесью, поверхности жидкости, м2; цг — скорость испарения жидкости, кг-с"1; Gg— массовая скорость истечения паровоздущной фазы из цистерны при срабатывании предохранительного клапана, кг-с"1.

Уравнение энергетического баланса в жидкой фазе cimi ~ = <*g,F,{rg - Г;)+ awlqFull{Twlq - Т,)+ aKlFwl(TKl - Т,)-

-у (L, + с,-T^ + ctsZmV^fXt: -О+^^.^Дг/ -Г4>(17)

где С/ - удельная теплоемкость жидкости, Дж кг'-К"1; mi — масса жидкости, кг; Fw/q, Fw/ — площадь внутренней стенки корпуса цистерны с обогреваемой стороны, с необогреваемой стороны при контакте с жидкостью, м2, L{- удельная теплота испарения жидкости, Дж-кг"1.

Начальные условия принимаются следующими

Т№=Та;Т8=Та;Т,=Та-, (18)

Уравнение баланса массы жидкости:

с/т,

09)

ах

Уравнение баланса массы для паровоздушной смеси (¡т

Для расчета давления паровоздушной смеси используется уравнение состояния идеального газа

Pg=pg-Rg-Ts> (21)

где Rg - газовая постоянная паровоздушной смеси, Дж К"1, pg— плотность паровоздушной смеси, кг-м'3.

В третьей главе разработана экспериментальная методика и представлены результаты изучения теплового воздействия модельного очага пожара на корпус горизонтальной цистерны, определения его температурного поля.

Были определены следующие экспериментальные задачи:

■> разработка модельного очага пожара, определение его геометрических и термических параметров;

- определение интенсивности лучистых тепловых потоков, воздействующих на различные зоны конструкции цистерны для определения граничных условий теплообмена,

- определение температур характерных точек корпуса цистерны при воздействии лучистых тепловых потоков модельного очага пожара различной интенсивности

Объектом эксперимента являлась горизонтальная эллиптическая цистерна (а=2,1 м, ¿=1,2 м, /=3,5 м), частично заполненная жидкостью.

Для решения экспериментальных задач совместно с другими исследователями была разработана схема полигона для проведения огневых экспериментов. Определены параметры модельного очага пожара и требуемая измерительная база. При проведении эксперимента измерялись следующие величины:

- интенсивность лучистых тепловых потоков модельного очага пожара;

- температура стенки корпуса цистерны;

- время теплового воздействия.

Для измерения температур различных зон корпуса цистерны при тепловом воздействии модельного очага пожара собрана информационно-измерительная система, состоящая из персонального компьютера типа IBM PC (Pentium III), термометра многоканального TM 5103 и преобразователей термоэлектрических ТХА (рис. 4)

ПК

Рис. 4 Измерительная схема для исследования температурного поля корпуса цистерны. 1 - термоэлектрический преобразователь ТХА (точка измерения), 2 - цистерна, 3 — термометр многоканальный ТМ 5103, 4 - прибор для измерения интенсивности те-пдовцго излучения ЛИОТ-Н, 5 - персональный компьютер для сбора и обработки измерительной информации, 6 - модельный очаг пожара.

Измерение температур осуществлялось 5 термоэлектрическими преобразователями ТХА диаметром 0,5 мм, установленными на корпусе конструкции цистерны. Контакт термоэлектродов с металлической поверхностью корпуса конструкции осуществлялся с помощью импульсной сварки. Верхний предел измерения температуры используемыми термоэлектрическими преобразователями составляет 1100 °С. Измерение интенсивности интегральных лучистых тепловых потоков на расстоянии от модельного очага пожара и по высоте производилось актинометром ЛИОТ-Н с диапазонам измерения 0-28 кВт м"2.

Диапазон изменения интенсивности теплового излучения в зоне воздействия модельного очага пожара с учетом осреднения по всем линиям измерения составил от 8,0 до 20,0 кВт м"2 Анализ полученных фотографий

факела пламени показал, что высота устойчивой светящейся части факела в-его основании составляла 2,5 м. Среднеповерхностная интенсивность теплового излучения светящейся части факела пламени составила 72 кВт'м"2, температура - 788 °С.

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что в зави-£иморти от интенривности теплового излучения характерные точки корпуса цистерны имеют разные значения и динамику роста температуры. Анализ температурных значений показывает, что верхняя часть корпуса, не контактирующая с жидкостью приобретает максимальную температуру. Согласно данным опыта при воздействии лучистого теплового потока интенсивностью 18-20 кВт-м'2 максимальная температура корпуса составила 250 ^С через 10 минут теплового воздействия. В точке измерения температуры стенки, контактирующей с жидкостью рост температуры происходит гораздо менее интенсивно из-за более высокой теплоотдачи от внутренней стенки к жидкости. Максимальная температура в этой точке достигла 45 °С. Вследствие одностороннего нагрева корпуса цистерны температура в точках измерения на необлучаемой поверхности изменяется не значительно. В точке измерения температуры стенки, не контактирующей с жидкостью некоторый рост температуры обеспечивается конвективным тепло-ррмером с нагретой паровоздушной смесью, лучистым теплообменом с облучаемой стенкой и теплопроводностью. В точке измерения температуры стенки, контактирующей с жидкостью незначительный рост температуры обеспечивается конвективным теплообменом с нагретой жидкостью и теплопроводностью.

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают принятую при разработке математической модели схему внешнего и внутреннего теплообмена. Полученные значения температур в характерных точках корпуса цистерны, термические и геометрические параметры факела пламени модельного очага пожара использованы для оценки адекватности разработанной модели.

В четвертой главе разработана методика численного расчета и проведена оценка адекватности разработанной математической модели путем сопоставления с полученными экспериментальными данными и результатами других исследователей. Изложены основные результаты практического внедрения диссертационной работы.

Применялась следующая последовательность процесса расчета:

- построение конечно-элементной модели корпуса цистерны и изучающей поверхности пламени очага пожара;

- задание параметров модели а виде констант и расчетных зависимостей;

- задание граничных и начальных условий;

- задание временных параметров расчета;

- решение полученной модели;

~ визуализация и оценка результатов моделирования.

В качестве метода численного расчета нестационарной теплопроводности в стенке конструкции использован метод конечных элементов. Для этого в программно-математическом комплексе «Рет1аЬ 3.2» разработана крнечно-элементцая модель корпуса цистерны в виде цилиндрической оболочки и излучающая поверхность пламени очага пожара в с заданными геометрическими параметрами, соответствующими экспериментальным (рис. 5).

Рис. 5. Конечно-элементная модель в системе «излучающая поверхность факела пламени очага пожара - внешняя поверхность корпуса цистерны»: 1 - корпус цистерны; 2 - излучающая поверхность факела пламени.

Теплофизические параметры материала стенки корпуса цистерны (сталь): плотность р9 = 7800 кг*м"3; удельная теплоемкость с„ = 500 Дж-кг" '-К1; теплопроводность = 45 Вт-м"' К"); степень черноты поверхности - 0,74, Теплофизические параметры жидкости (вода): плотность р, = 1000

кг-м"3; удельная теплоемкость с, = 4190 Дж-кг'-К*1; теплопроводность Я; = 0,58 Вт-м"!-К"1. Теплофизические параметры воздуха: плотность - 1,2 кгм'3; удельная теплоемкость сг = 1005 Дж-кг '-К-1; теплопроводность = 0,026 Вт-м~1,К"\

Для проведения численного расчета использовались геометрические и термические характеристики пламени очага пожара, полученные при экспериментальном исследовании.

Начальные условия: начальная температура корпуса, жидкости, паровоздушной смеси до теплового воздействия и температура окружающей среды вне зоны теплового воздействия определялись равными Та = 18 °С.

Численный расчет температурного поля корпуса .цистерны в двухмерной постановке показан на рис. 7.

Рис. 7. Температурное поле корпуса цистерны при воздействии лучистого теплового потока очага пожар? на расстоянии 2 метра (10 мне! от начала теплового воздействия)

Анализ расчета показывает, что распределение температур в оболочке корпуса цистерны происходит в соответствии с полученными экспериментальными данными. Верхняя часть корпуса, не контактирующая с жидкостью, приобретает максимальную температуру, на основании которой оце-

нивается опасность воспламенения паров нефтепродукта в цистерне и разрушение конструкции вследствие тепловых деформаций и потери прочности корпуса цистерны.

Сопоставление численных и экспериментальных данных по динамике процесса нагрева корпуса цистерны в характерных точках представлено яа рис. 8. Несколькр завышенные расчетные значения по сравнению с экспериментом можно объяснить влиянием факторов окружающей среды в ус-довцях натурного эксперимента, а именно- изменением во времени интенсивности теплового потока модельного очага пожара, скоростью ветра, влияющей на интенсивность конвективного теплообмена внешней стенки корпуса

Время, мин

Рис 8 Сравнение расчетных и экспериментальных данных изменения температуры корпура цистерны в характерных точках при воздействии лучистого теплового потока очага пожара на расстоянии 2 метра

Для оценки адекватности разработанной математической модели при расчете температурного поля корпуса цистерны при непосредственном воздействии открытого пламени было проведено сопоставление расчетов с экспериментальными данными, полученными А М. Бёрком (А.М Birk).

Э проведенных экспериментах исследовалось температурное поле горизонтальной цилиндрической емкости наполовину заполненной водой (диаметр d = 0,96 м; длина I = 2,9 м, толщина стенки 8 = 0,007 м) Интен-

сивность теплового потока открытого пламени равномерно воздействующего на боковую цоверхность емкости составляла 87 кВт м~2.

Сопоставление численных и экспериментальных данных по динамике процесса нагрева корпуса емкости, температуры жидкости и паровоздушной фазы приведено на рис. 9 и 10.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Время, сек

Ррс 9 Сравнение расчетных и экспериментальных данных изменения температуры стенки емкости в характерных точках при воздействии открытого

пламени

200

400

600 800 Время, сек

1000 1200 1400

Рве 10 Сравнение расчетных и экспериментальных данных изменения температуры жидкости и паровоздушной смеси при воздействии открытого пламени

В целом результаты сопоставления проведенных расчетов и экспериментальных данных показали, что разработанная методика расчета является адекватной и может быть использована для моделирования воздействия теплрвых потоков пожара на цистерну с нефтепродуктом при определении интенсивности теплового воздействия, времени достижения критических значений температур корпуса цистерны

Да основе разработанной методики проведены многовариантные расчету нестационарного температурного поля корпуса цистерны с бензином при воздействии тепловых потоков пожара. При моделировании варьировались следующие параметры: степень заполнения цистерны, интенсивность теплового потока, площадь теплового воздействия на корпус цистерны Теплофизические параметры бензина* плотность р/ = 751 кгм'3; удельная теплоемкость С/ = 2060 Дж-кг"1 К"1; теплопроводность А; = 0,117 Вт мг1 К"1. При расчетах получены тепловые эпюры корпуса цистерны, определяющие неравномерность его температурного поля (рис. 11)

Результаты тепловых расчетов использованы для последующего определения напряженно-деформированного состояния конструкции цистерны (прочностного расчета) Результаты прочностных расчетов позволили оцецить максимальные эквивалентные напряжения в стенке корпуса цистерны, время достижения значений пределов текучести и прочности материала цистерны.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования были ирподьзованы при разработке «Рекомендаций по тактике действий подраз-

Рис 11 Тепловая эпюра неравномерного температурного прля корпуса цистерны при воздействии теплового потока интенсивностью 60 кВт м'

,-2

делений пожарной охраны при ложарах на автоцистернах для перевозки легковоспламеняющихся и горючих жидкостей». Одной из задач при обеспечении безопасных условий тушения пожара автоцистерн является оценка интенсивности теплового воздействия на корпус цистерны и температуры его поверхности. С учетом этого определяются безопасные расстояния для рывода цистерны с нефтепродуктом из зоны пожара, принимаются меры к снижению интенсивности теплового потока на цистерну путем его экранирования (водяные завесы, огнезащитные экраны) На рис 11 представлена динамика изменения температуры сухой стенки корпуса цистерны в точке максимального нагрева в зависимости от расстояния от очага пожара с высотой пламени 2,5 м.

Результаты цроведенных расчетов позволяют прогнозировать время достижения предельно допустимых температур в зависимости от расстояния между цистерной и очагом пожара.

Время достижения предельно допустимых температур сухой стенки корцуса цистерну в зависимости от интенсивности теплового потока показано на рис. 13.

450 л

2 м

Т"

о

о

5

10

15 20

Время, мин

25

30

Рис 12 Динамика изменения температуры сухой стенки корпуса цистерны

в точке максимального нагрева в зависимости от расстояния от очага пожара

2 4 6 8 10 12 14

Время,мин

Рис 13 Время достижения предельно допустимых температур сухой стенки корпуса цистерны в зависимости от интенсивности теплового потока 1 - по температуре самовоспламенения нефтепродукта (0,8ТСВП), 2 — по температуре потери прочности материала конструкции (0,8Тп[Ючн)

Приведенные результаты расчетов позволяют прогнозировать поведение цистерны с нефтепродуктом в условиях теплового воздействия пожара Предотвращение опасных ситуаций разрушения конструкции может быть достигнуто за счет снижения интенсивности теплового воздействия очага пожара с использованием тепловой защиты, выводом цистерн на безопасное расстояние

В приложениях приводятся текст компьютерного кода по расчету нестационарного температурного поля корпуса цистерны с нефтепродуктом при воздействии тепловых потоков пожара; материалы, подтверждающие практическое применение результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ более 100 аварий и пожаров на объектах нефте-продуктообеспечения произошедших с 2000 по 2006 гг Результаты исследования показывают, что примерно в 40 % всех случаев возникает пожар цистерны или аварийного пролива, что приводит к воздействию мощных внешних тепловых нагрузок на корпус цистерны с нефтепродуктом.

2. Анализ пожаров показал опасность теплового воздействия очага пожара на корпур цистерны с нефтепродуктом. В одном случае, нагрев корпуса цистерны приводит к самовоспламенению паров нефтепродукта цри нахождении дх концентрации в зоне взрывоопасных значений Во втором случае приводит к образованию неравномерного температурного поля, Что в свою очередь может привести к разрушению корпуса вследствии возникновения тепловых деформаций и потери прочности материала.

3. Разработана математическая модель, позволяющая определять интенсивность теплового воздействия на корпус цистерны с нефтепродуктом, его нестационарное температурное поле в условиях пожара с учетом сопряженности происходящих тепломассообменных процессов. Предложенная модель учитывает все основные процессы теплообмена, определяющие температурное поле дистерны при различных вариантах теплового режима пожара.

4. Разработана методика и проведены натурные огневые эксперименты, 1Соторые позволили получить новые данные о закономерностях изменения температурного поля корпуса горизонтальной цистерны при воздей-9jbhi^ тепловых потоков модельного очага пожара. Полученные данные были использованы для оценки адекватности разработанной математической модели.

5. Разработана методика численного расчета, позволяющая определять нестационарное температурное поле корпуса цистерны с использованием метода конечных элементов. На основании сопоставления полученных экспериментальных данных, результатов других экспериментов и проведенных расчетов подтверждена адекватность разработанной модели. Полученные результаты позволяют рекомендовать методику для прогнозирования поведения цистерны с нефтепродуктом в условиях аварийной ситуации

6 На основе разработанной методики проведено многовариантное численное исследование теплового воздействия на цистерну с нефтепродуктом в случае возникновения аварийной ситуации. Рассчитаны интенсивности тепло шр го воздействия очага пожара в соответствии с его геометрическими и термическими характеристиками, определено время достижения предельно допустимых температур корпуса цистерны Результаты тепловых расчетов использованы для последующего определения напряженно-деформированного состояния конструкции цистерны (прочностного расчета).

7- Результаты диссертации использованы в «Рекомендациях по тактике действий подразделений пожарной охраны при пожарах на автоцистернах для перевозки легковоспламеняющихся и горючих жидкостей», где определены особенности обстановки на пожаре в условиях теплового воздействия на корпус цистерны с нефтепродуктом, признаки оценки опасности аварийной ситуации по условию интенсивности теплового воздействия н^ кррпус цистерны. Выполнение рекомендаций направлено на обеспечение безопасных условий ликвидации пожаров

Основные положения исследования опубликованы в следующих работах:

1, Пранов Б.М, Хабибулин Р Ш. Численное моделирование процессов тепломассообмена в цистерне с нефтепродуктом при пожаре. Материалы 11-й научно-технической конференции "Системы безопасности" СБ-2002 - Академия ГПС МЧС России М, 2002 - С. 244 - 245

2 Исхаков Х.Ц., Хабибулин Р.Ш Оценка воздействия тепловых потоков цожара на цистерну автомобиля для транспортирования нефтепродуктов. И Пожаровзрывобезопасность. 2003. Т 12 № 1. С. 75 - 80

3. Хабибулин Р.Ш. Прогнозирование и анализ на основе системы «РФЦ - окружающая среда - объект защиты». Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы XXVIII научно-практической конференции. — 42, — М.:ВНИИПО, 2003. - С. 284 - 286.

4 Хабибулин Р.Ш Методика оценки теплоустойчивости конструкции цистерны с нефтепродуктом. Материалы 12-й научно-технической конференции "Системы безопасности" СБ-2003. - Академия ГПС МЧС России. М >3003.-С. 185-186

5. Сучков В.П., Хабибулин PJIL Инциденты при перевозке нефтепродуктов автоцистернами: анализ причин и последствий. И Транспорт и хранение нефтепродуктов. 2004 №4 -С 11-13.

6 Хабибулин P.IIL Закономерности изменения теплового состояния конструкции цистерны при воздействии тепловых лотоков очага пожара. Материалы 14-й научно-технической конференции "Системы безопасности" СБ-2005 - Академия ГПС МЧС России. М, 2005. - С. 241 -243.

7, Хабибулин Р.Ш. Устойчивость горизонтальных цилиндрических резервуаров с нефтепродуктом при пожаре. // Вестник Академии ГПС МЧС России. М^2007. № 7. - С. 32 - 35.

8. .Хабибулин Р.Ш. Устойчивость цистерн для хранения и перевозки нефтепродуктов в условиях воздействия тепловых потоков пожара. И Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности». —2007. - № 2. — http-//ipb mos.ru/ttb

Отпечатано в Академии ГПС МЧС России. Тираж то_ экз. Заказ № зг