CC BY
114
УДК 614.8:622.691.4
Ю.В. Гамера, С.В. Овчаров
К вопросу о барических воздействиях
при дефлаграционном горении метана на опасных
производственных объектах газотранспортных систем
Ключевые слова:
авария,
опасный
производственный
объект,
газотранспортная
система,
параметры
барического
воздействия,
дефлаграционное
горение метана.
Keywords:
accident, hazardous production facility, gas transmission system, baric impact parameters, methane deflagration combustion.
Одними из основных поражающих факторов при авариях на опасных производственных объектах (ОПО) трубопроводного транспорта природного газа являются термическое и барическое воздействия при возможном горении (взрыве) реакционноспособной газовоздушной смеси (ГВС). Важнейшей задачей специалиста, выполняющего анализ риска для таких ОПО, является достоверный расчет пространственного распределения физических характеристик указанных поражающих факторов, поскольку по его результатам определяются размеры зон разрушения зданий и сооружений, масштабы зон поражения людей и в конечном счете делаются выводы об обеспечении или необеспечении требуемого уровня промышленной безопасности на ОПО. Совершенно очевидно, что достижение достоверных расчетных результатов возможно только при использовании адекватных математических моделей, описывающих физически обоснованные аварийные сценарии, учитывающие специфику реагирующего опасного вещества и технико-технологические особенности анализируемого ОПО.
В статье рассмотрены основные особенности дефлаграционного горения ГВС и на этой основе предлагаются методические подходы к расчету поражающих факторов таких процессов на ОПО с обращением сжатого природного газа (метана).
В зависимости от режима протекания процесса горение образующейся при аварийной разгерметизации газового технологического оборудования ГВС может вызвать распространение в окружающем пространстве одного или нескольких поражающих факторов.
При дефлаграционном и детонационном режимах взрывного превращения вещества основным поражающими фактором является барическое воздействие. В процессе развития дефлаграционного горения скорость распространения его фронта за счет автотурбулизации и турбулизации на препятствиях возрастает от скорости нормального горения до некоторой величины, определяемой как свойствами самой смеси (в частности, размерами ее детонационной ячейки), так и характеристиками окружающей среды (степенью загроможденности, размерами зоны загазованности и т.д.). Критическое сочетание перечисленных параметров может перевести процесс дефлаграционного («вспышкообразного») горения в детонацию, ассоциируемую в обычных понятиях со взрывом. Несмотря на возможность перехода дефлаграции в детонацию, указанные режимы горения принципиально отличаются как по механизмам распространения фронта горения, так и по основным барическим характеристикам сгорания - избыточному давлению и импульсу фаз сжатия и разрежения. Детонационный режим характеризуется высоким значением амплитуды давления и малым значением импульса как фазы сжатия, так и фазы разрежения при относительном равенстве продолжительности обеих фаз. Определяющими характеристиками в детонационном режиме являются энергетические характеристики смеси. Особенностями дефлаграционного режима являются относительно малая амплитуда давления и большая продолжительность воздействия фаз сжатия и разрежения, причем длительность последней в несколько раз больше. Параметры горения в таком режиме зависят не только и не столько от энергетических характеристик смеси, сколько от скорости фронта горения (V).
№ 1 (17) / 2014
Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов
67
Особенности детонационного и дефлаграционного режимов в конечном счете приводят к тому, что наблюдаемый характер разрушений может быть разным при осуществлении каждого из них. Так, превалирование по длительности фазы разрежения над фазой сжатия при дефлаграционном режиме во многих случаях объясняет и характер разрушений (наружу, а не внутрь зданий при «внешних взрывах»). Из описанных выше различий между двумя режимами быстрого горения следует, что полученные в результате изучения взрывов (детонационный процесс) закономерности нельзя безоговорочно обобщать на дефлаграционное горение. В частности, с этой точки зрения некорректными являются оценки барических воздействий от дефлаграционного горения топливновоздушной смеси (ТВС) в открытом пространстве, проводимые по базирующимся на экспериментальных данных по взрывам (детонации) конденсированных взрывчатых веществ методикам, изложенным в п. 1 Приложения 3 к [1]. Указанное положение неоднократно подчеркивалось в технической литературе [2, 3].
Рассматривая дефлаграционное горение ТВС в открытом пространстве, следует отметить, что отсутствие репрезентативной модели для определения скорости фронта горения ТВС привело к необходимости создания экспертных таблиц ее оценки. Данные экспертной таблицы, составляющие основу методики, изложенной в РД 03-409-01 [3] (данная методика изложена также в п. 2 Приложения 3 к [1] Приложении Е к [4]), построены путем аппроксимации экспериментальных результатов в рамках так называемой «сферической» модели горения. Указанная модель подразумевает, что процесс горения распространяется в сферическом объеме гомогенной околостехиометрической смеси и инициируется поджигом в центре.
Применительно к метановоздушным облакам в зависимости от степени загроможденно-сти пространства методика [3] дает 4 режима дефлаграционного горения, представленных в табл. 1.
Пространственное распределение избыточного давления и импульса в фазе сжатия падающей волны при этом будет описываться соотношениями:
(
AP(R0 > 1,18) = 118,2w2
2,88 1,69
Л
v Ro
Ro2 У
AP(R0 < 1,18) = AP(1,18);
i(R0 > 1,18) = 0,103 w(1 - 0,4w)x
x
(2,08 1,21 1,05 ^
R0
R02
R0
0 v0 v0 J
i(R0 < 1,18) = i (1,18);
R = .
0 mTHZ
w = 2,521 -10 Fr;
mTHT = к K
qM
g 0 .
Qtht
K = 1 при Cr < CCT;
k = ПрИ > cc
Cr
(1)
где R - расстояние от центра облака, м; тТНТ - массовый энергетический тротиловый эквивалент смеси, кг; q = 50 МДж/кг - удельная энергия сгорания метана; 0ТНТ - удельный тепловой эквивалент тротила на единицу массы, принимается равным 4,24 МДж/кг; Ч0 -масса выброса, кг; Сст - концентрация метана в стехиометрической смеси; Сг - концентрация метана в облаке; к - коэффициент, учитывающий положение облака в пространстве (для облака, целиком расположенного над землей, к = 1; для лежащего на земле - к = 2). Для удобства в (1) (в отличие от методики [3]) в качестве
Таблица 1
Экспертная таблица для определения взрывного превращения метана
Вид окружающего пространства Характеристика окружающего пространства Режим взрывного превращения Скорость фронта пламени, Vr , м/с
1 Наличие источников турбулентных струй размером не менее 0,15 м 3 200-300
2 Сильно загроможденное пространство 4 150-200
3 Средне загроможденное пространство 5 43MУ
4 Слабо загроможденное пространство 6 26M^
№ 1 (17) / 2014
68
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
нормировочной величины для расстояния выбрано не значение 3kKqMg0 / P0 (P0 - атмос-ферное давление), а величина 3kKqMg0 / QTHT .
Отметим, что особенностью описанной методики [3] является то, что в ней не рассматривается важное связующее звено, необходимое для возникновения дефлаграционного горения, -процесс приготовления реакционноспособного объема. А ведь именно в ходе указанного процесса определяются как расположение центра облака, так и масса газа, участвующего в создании барического поражающего фактора, а значит, в конечном счете и рассчитываемые на основе (1) поля избыточного давления и импульса. С этой точки зрения представляется логичным для анализа последствий аварий с неполной разгерметизацией оборудования со сжатым газом использовать физическую теорию выбросов конечной продолжительности [5], в соответствии с которой все напорные выбросы можно разделить на выбросы, приводящие к образованию изначально негорючего компактного облака (мгновенные), промежуточные и струйные выбросы с переобо-гащенным горючим ядром. Критерием для определения вида выброса по [5] является значение безразмерного комплекса 5 (5 > 5с - мгновенный; 5с > 5 > 5, - промежуточный; 5 < 5, - струйный):
(
5 =
rg о
V Mg о J
(2)
где и Pg0 - соответственно начальные плотность и давление истекающего газа; S0 - площадь отверстия истечения; 5с, 5, - параметры, зависящие от условий истечения и свойства газа; q - параметр, зависящий только от условий истечения.
В табл. 2 приведены значения критических параметров 5с и 5, для выбросов метана при следующих условиях: при постоянном высоком давлении (давление больше или равно кри-
Y
( Y+1 ") Y-1
тическому давлению Pcr = P01--I , у - пока-
1/3
затель адиабаты); при постоянном низком давлении (Pg0 < Pcr); при опорожнении сосуда высокого давления (Pg0 > Pcr).
Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что диапазон изменений 5 для переходного режима достаточно узкий. Кроме того, многочисленные экспериментальные исследования по искусственному воспламенению струйных потоков показали, что в струе в дефлаграционном режиме сгорают лишь отдельные турбулентные вихри с максимальным давлением на фронте ~2,5 кПа [6], а для основной массы газа в таких условиях характерным является диффузионный режим горения. Исходя из этого консервативно можно принять, что основным источником барического воздействия от дефлаграционного горения ТВС в открытом пространстве при авариях с неполной разгерметизацией оборудования являются выбросы, для которых 5 > 5,. Данные выбросы приводят к образованию компактного облака, двигающегося за счет сил инерции (вихревое кольцо). Причем масса выброса ограничена, что следует из формулы
3Мш о/ Pg 0 ^5-1(Pg 0 / P0)\J 4 S0I п. (3)
В случае полной мгновенной разгерметизации сосуда в соответствии с моделью мгновенного выброса в стандартной атмосфере [7] исходное облако будет представлять собой в целом негорючий гомогенный концентрационный термик положительной плавучести (горючим является узкий слой на периферии), состоящий практически полностью из чистого газа и всплывающий за счет сил плавучести. Эволюция облаков обоих типов (вихревого кольца и термика) достаточно подробно описана в работах [8, 9] (в которых показано, что в ходе движения как вихревого кольца, так и тер-мика временные зависимости содержания реакционноспособной смеси в облаках обоих видов имеют максимумы, соответственно, максимумы имеют и временные зависимости mTHT(t)). На момент достижения максимального значения (max(mTHT (t)) = mTHT) центр облака смещается на расстояние Д в направлении выброса при движении вихревого кольца или вертикально вверх при всплытии термика. Для метановых облаков значения mTHT = 5,6Mg0, а значе-
Таблица 2
Значения критических диаметров 6с и 6j при выбросах метана
Низкое давление Высокое давление Опорожнение сосуда
q = о q = 1/6 q = 1/12
5, 5с 5, 5с 5, 5с
0,155 0,509 0,195 0,647 0,252 0,834
№ 1 (17) / 2014
Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов
69
ния Д определяются по безразмерным координатам «верхней» (Xb) и «нижней» (X) кромок облака по направлению движения и максимального безразмерного радиуса облака (Rc) поперек движения, определяемых по нижнему концентрационному пределу воспламенения (табл. 3).
Для перехода к размерным величинам табл. 3 необходимо умножить безразмерные значения на размерный множитель ^Mg0 / pg0 для вихревого кольца или ^Mg0 / pga для концентрационного термика (pga - плотность метана при нормальных условиях).
Анализируя вертикальные выбросы по данным табл. 3, можно утверждать, что в указанном случае вне зависимости от типа облака на момент достижения максимального значения mTHT нижняя кромка облака не будет касаться подстилающей поверхности, а подъем центра облака фиксированной массы выброса при движении за счет инерции будет значительно больше, нежели за счет сил плавучести. Отсюда для указанных выбросов консервативно можно описывать движение облака как всплытие термика, считая, что, согласно экспертной табл. 1, единственно возможным режимом импульсного превращения метана в нем будет 6-й режим со значением к = 1, а значит при вычислениях полей избыточного давления и импульса падающей волны по (1) на уровне земли нужно принять:
л/Д2 + X2
R0 —1/3
mTWT
Xb + X,
; w = 6,55 10-2Mg06; 1
Д=
1MTP~ = 4,48^Mg 0/ pga, (4)
2
где X - расстояние, измеряемое от проекции центра облака на подстилающую поверхность.
Несколько по иному механизму, нежели в открытом пространстве, формируются барические нагрузки при дефлаграционном горении метана в помещении. Здесь уже невозможно говорить в общем случае о «сферической» модели горения. Граничные условия (наличие стен) и сам характер развития дефлаграции (ускорение фронта пламени в начале процесса)
ведут к тому, что в каждый момент фронт пламени стремится принять форму помещения. При этом, поскольку любое барическое возмущение передается со скоростью звука, значительно превышающей скорость фронта пламени, давление распределяется равномерно по объему. Рост давления в помещении при дефлаграционном сгорании ТВС (при прочих равных условиях) определяется устойчивостью ограждающих конструкций. Последнее положение и используют для ограничения барических воздействий в помещении, оснащая их легкосбрасываемыми конструкциями. Необходимая для обеспечения приемлемого уровня избыточного давления суммарная площадь однотипных легкосбрасываемых конструкций при этом вычисляется с помощью Приложения Н к [4]. Указанное Приложение позволяет решать и обратную задачу - по известной площади легкосбрасываемых конструкций и свойствам горючей смеси определять ожидаемое максимальное избыточное давление в процессе дефлаграционного горения (ДРшах) (положение о допустимости инвертирования методики прописано в п. Н.2.2 [4]). Для околостехиометрической метановоздушной смеси выражение для ДРшах (кПа) может быть записано как
ДРтах = 1,63 -10-2 ^j , (5)
где ц и х - коэффициент расхода и степень тур-булизации горения (определяются из дополнительных соображений); V - объем здания, м3; S -площадь легкосбрасываемых конструкций, м2.
Приведенная формула (4) базируется на многочисленных экспериментальных исследованиях как для помещений [10], так и для сосудов [11]. Тем не менее, судить о величине барических воздействий по одному лишь значению ДРшах не совсем правомерно. Общепризнанным [12] является описание барического воздействия совокупностью двух параметров - избыточного давления и импульса. В доступных источниках, к сожалению, данный вопрос практически не обсуждался. Вместе с тем, можно ожидать, что по сравнению с открытым
Таблица 3
Размеры метановых облаков при достижении максимального содержания реакционноспособной смеси в них
Вихревое кольцо Концентрационный те рмик
Xb X Xb X
60,1 16,4 0,274 7,03 1,92 0,801
№ 1 (17) / 2014
70
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
пространством дефлаграция в помещениях должна приводить к значительным квазистационарным нагрузкам. Обработка авторами статьи экспериментальных данных, полученных для сосудов различных объемов в [11], показала, что при внутренних дефлаграционных взрывах импульс давления i (кПа-с) с точностью 10 % определяется равенством
i = 0,1APmaxF/3. (6)
Оценки барических воздействий по соотношениям (5) и (6) носят консервативный характер, так как предполагают, что в момент инициализации горения смесь по своему составу является близкой к стехиометрической во всем объеме помещения.
Изложенные выше соображения позволяют сделать ряд выводов касательно описания и расчета барических воздействий при дефла-грации метановоздушных смесей на площадочных объектах.
1. Дефлаграционное горение является одним из возможных режимов окисления ТВС в открытом пространстве. Распространять на указанный режим эмпирические данные, полученные в условиях детонации, некорректно.
2. Для адекватных оценок параметров падающей воздушной волны сжатия на уровне земли, образующейся вследствие дефлаграционного сгорания метановоздушного облака, необходимо учитывать движение последнего в атмосфере (при полном разрушении резервуара - всплытие термика) и ограниченность массы выброса в вихревом кольце.
3. Наиболее приемлемым (с точки зрения экспериментального подтверждения) способом оценки параметров барического воздействия при «вспышкообразном» (дефлаграционном) горении природного газа внутри помещений, оборудованных легкосбрасываемыми конструкциями, является их вычисление по соотношениям (5) и (6).
Список литературы
1. Федеральные нормы и правила в области
промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» (утв. приказом Ростехнадзора от 11.03.2013 г. № 96).
2. Ефремов К.В. Расчет зон разрушений зданий и сооружений при внешних взрывах топливо-воздушных смесей на опасных производственных объектах / К.В. Ефремов, М.В. Лисанов, А.С. Софьин и др. // Безопасность труда в промышленности. -2011. - № 9 - С. 70-77.
3. РД 03-409-01. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (утв. Постановлением Госгортехнадзора России от 26.06.2001 г. № 25).
4. ГОСТ Р 12.3.047-2012. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля (введ. в действ. Приказом от 27.12.2012 г.
№ 1971-ст.).
5. Якуш С.Е. Гидродинамика и горение газовых и двухфазных выбросов в открытой атмосфере: дис. ... докт. физ.-матем. наук: 01.02.05 /
С.Е. Якуш. - М., 2000.
6. СТО РД Газпром 39-1.10-084-2003. Методические указания по проведению анализа риска для опасных производственных объектов газотранспортных предприятий ОАО «Газпром». - Т. 1. - М: ИРЦ Газпром, 2003.
7. Белоцерковский О. М. Динамика пространственных вихревых течений в неоднородной атмосфере. Вычислительный эксперимент / О.М. Белоцерковский,
В.А. Андрущенко, Ю.Д. Шевелев. - М:
Янус - К, 2000. - 455 с.
8. Гостинцев Ю.А. Турбулентный термик в стратифицированной атмосфере /
Ю.А. Гостинцев, А.Ф. Солодовник,
В.В. Лазарев и др. - Черноголовка, 1985. - 46 с.
9. Адушкин В.В. Энергетические характеристики взрыва и параметры ударных волн в воздухе при детонации водородосодержащих облаков
в свободной атмосфере / В.В. Адушкин,
Ю.А. Гостинцев, В.Е. Фортов. - Черноголовка, 1995. - 85 с.
10. Sapko M.J. Flame and Pressure Development of Large-Scale CH4-Air-N2 Explosions: Report of Investigation / M.J. Sapko, A.L. Furno,
J.M. Kucta; US Bureau of Mines. - RI 8176. -Wash., 1976. - 32 p.
11. Мольков В.В. Динамика сгорания газа в негерметичном сосуде: дис. . канд. физ.-матем. наук: 01.04.17 / В.В. Мольков. - М., 1983.
12. Бейкер У. Взрывные явления. Оценка и последствия: в 2-х кн. - Кн. 1 / У. Бейкер,
П. Кокс, П. Уэстайн и др.; пер. с англ.
Я.Б. Зельдовича и Б.Е. Гельфанда. - М.: Мир, 1986. - 319 с.
№ 1 (17) / 2014
