CC BY
78УДК 536.46 DOI 10.25257/FE.2020.3.20-25
КОМАРОВ Александр Андреевич Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: bzbb@mail.ru
ШАНГАРАЕВ Рустам Рашитович Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: robson-rus7@yandex.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРАЖАЮЩИХ ФАКТОРОВ ПРИ АВАРИЯХ, СОПРОВОЖДАЕМЫХ ОГНЕННЫМИ ШАРАМИ
В статье описан процесс образования огненного шара (БЬБУЕ), условия возникновения данных процессов. Произведены расчёты параметров огненного шара по существующим отечественным и зарубежным методикам, выполнен анализ данных методик, на основе анализа сделаны выводы.
Ключевые слова: нефтегазовая отрасль, взрыв, авария, огненный шар, БЬБУЕ, сжиженные углеводородные газы.
Нефтяная промышленность - одна из самых перспективных отраслей в России, она обеспечивает существенную часть дохода в ВВП страны [1]. В настоящее время это основа для генерирования денежных средств и обеспечения работы многих других отраслей экономики. Повышение уровня пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса - важная задача в области защиты территории и населения от аварийных ситуаций техногенного характера. Аварии, сопровождаемые взрывами и пожарами, на таких объектах характеризуются не только жертвами среди населения, но и значительными расходами в экономическом плане, связанными с ликвидацией последствий разрушений и восстановлением работоспособности предприятий, которые приводят как к прямому, так и к косвенному ущербу.
Возможным последствием аварийной ситуации на объектах нефтяной промышленности является образование огненных шаров (BLEVE - boiling liquid expanding vapour explosion).
Явление BLEVE характеризуется совокупностью физических процессов, сопровождающих взрывное вскипание углеводородных жидкостей в ёмкостях высокого давления, выброс содержимого ёмкости в окружающее пространство с образованием быстро сгорающего аэрозольного облака (огневого шара) и ударной волны, а также с разрушением сосуда и разлётом его осколков [2, 3] (рис. 1).
На образование огненного шара влияют следующие предпосылки:
- жидкость термодинамически перегрета выше некоторого характерного предела относительно состояния насыщения при атмосферном давлении [3];
- происходит резкое падение давления над поверхностью раздела жидкой и паровой фаз [3];
- величина термодинамической нестабильности жидкости при сбросе давления достигает области
локального перегрева, при которой происходит мгновенное вскипание перегретой жидкости по всему объёму за счёт высокой плотности центров парообразования (до 106 в одном кубическом миллиметре) [3].
При «провале» за границу предельного перегрева происходит «паровой взрыв» [4]. Давление в ёмкости увеличивается в стократном размере, в результате ёмкость разрушается. Доля жидкости преобразуется в пар, оставшаяся - в аэрозоль. В итоге формируется аэрозольное облако расширяющихся паров, которое с вероятностью 0,7...0,8 воспламенится и будет сгорать с мощным излучением тепла в окружающее пространство [5]. За счёт эффекта расширения паров газа и продуктов сгорания образуется воздушная ударная волна (до 0,5 атм.) [6]. За короткий срок после воспламенения сгораемая оболочка поднимает огненный шар над землей, что влечёт к росту зоны теплового воздействия. При подъёме огненный шар формирует облако часто похожее на гриб, ножкой которого является значительно поднимающееся конвективное течение. Благодаря тепловому расширению оболочки воздух проникает внутрь огненного шара, в результате чего размеры и высота его подъёма в процессе горения возрастают, и он начинает гаснуть, разбиваясь на более мелкие газовые полости, часть которых продолжает гореть [7]. Во время сгорания углеводородного огненного шара выделяется сажа, в результате появляется светящееся пламя со способностью излучения приблизительно равной единице. В результате выгорания огненного шара природного газа также образуется сажа, но способность излучения такого огненного шара меньше единицы.
Аварии с участием ёмкостей под давлением, сопровождаемые огневыми шарами характеризуется, как правило, таким поражающим фактором как разлёт осколков. Анализ 130 аварий типа БЬБУЕ показал,
20
© Комаров А. А., Шангараев Р. Р., 2020
что в 89 случаях наблюдался пожар с разлётом осколков, в 24 - возник только огневой шар, а в 17 случаях произошёл только разлёт осколков [8]. В 80 % случаев разлёт происходит на расстоянии не более 200 м, а количество осколков, как правило, не превышает 3-4 [8]. Необходимо подчеркнуть, что представленные параметры удалённости разброса частей ёмкости при разрыве, чаще всего, гораздо меньше дистанции теплового воздействия от огневого шара. Следовательно, при анализе последствий аварийных ситуаций с огневыми шарами необходимо, в первую очередь, вычислить границы зоны поражения от теплового излучения огневого шара.
Для расчёта теплового воздействия при авариях, сопровождаемых огневыми шарами, существует множество различных методик. Остановимся более детально на некоторых отечественных и зарубежных моделях [6, 9-13].
Существует два вида моделей определения параметров огненного шара. Первый определяет явление огненного шара как статическое событие, второй -как динамическое. Динамические модели огненных шаров пытаются описать их изменяющееся во времени поведение для более точного прогнозирования последствий теплового излучения. В отличие от статических моделей, динамическая должна учитывать изменяющиеся во времени явления, которые наблюдались во время инцидентов с огненным шаром.
Уровень травматизма и величина ущерба, вызванные последствиями аварий с возникновением огненного шара, напрямую зависят от падающего теплового потока и времени существования огненного шара. Главным параметром, влияющим на данные последствия, является масса вещества, попавшая в окружающее пространство при аварии. Исходя
из массы вещества определяется время существования, диаметр огненного шара и интенсивность теплового излучения [14, 15].
В рассматриваемых методиках представлены формулы, по которым определяются основные параметры огненного шара (табл. 1,2). В таблице 1 даны формулы для расчёта времени существования огненного шара. В таблице 2 - для определения интенсивности теплового излучения.
Далее представим сравнение результатов расчётов. Для сравнения расчётных значений диаметра огненного шара, времени существования и интенсивности теплового излучения по рассматриваемым методикам [6, 9-13] был взят следующий сценарий аварии с огненным шаром: объём ёмкости 700 м3, плотность жидкой фазы 550 кг/м3, степень
Таблица 1
Определение времени существования огненного шара по методикам [6, 9-13]
Методика Формула
[9] t = 0,923M°'303 (с)
[10, 13] t = 0,852M0'26 (с)
[11] t = 0,45M0'333 при M < 37 000 (кг), (с) t = 2,60m0'166 при M > 37 000 (кг), (с)
[11]* t = 0,9m0'25 (с)
[6] t = 3,8M0'333 (с)
[12] t = 0,41m0'34 (с)
Примечание. М - масса вещества, кг; [11] - статистическая модель; [11]* - динамическая модель.
Таблица 2
Определение интенсивности теплового излучения по методикам [6, 9-13]
Методика Формула
[9] ц = Е, ■ Гц ■ т(кВт/м2)
[10, 13] ц = Е, ■ Гц ■ т(кВт/м2)
[11] ц1 = ц, ■ Г ■ т(кВт/м2)
[11]* ц1 = ц, ■ Г ■ т(кВт/м2)
[6] I = I, ■ ф ■ v(кВт/м2■с)
[12] I = Ер ■ Г ■ т(кВт/м2)
Примечание. Е, ц, I,, Ер -среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени, кВт/м2; Гц, Г, ф - угловой коэффициент облучённости; т, V - коэффициент пропускания атмосферы.
[10, 13]
Рисунок 2. Результаты расчёта диаметра огненного шара. [11] - статическая модель; [11]* - динамическая модель
заполнения ёмкости 85 %, расстояние от огненного шара до излучаемого объекта 600 м, полученные результаты расчётов представлены на рисунках 2—4.
Как показывают данные рисунка 2, в существующих методиках [6, 9-13] нет существенных различий
¡5 э
V 2
3 о
>* I
и I
| £ ей
[9] [10, 13] [11] [11]* [6] [12]
Рисунок 3. Результаты расчёта времени существования огненного шара. [11] - статическая модель; [11]* - динамическая модель
[9] [10, 13] [11] [11]* [6] [12]
Рисунок 4. Результаты расчёта интенсивности теплового излучения от огненного шара. [11] - статическая модель; [11]* - динамическая модель
в значениях такого параметра как диаметр огненного шара.
Из рисунка 3 видны отличия во времени существования огненного шара. С учётом данного параметра по методике [10] можно определить предельно допустимые дозы теплового излучения, и следственно, какие ожоги могут получить люди в результате аварии.
Рисунок 4 хорошо показывает, как сильно отличаются значения параметров интенсивности
Таблица 3
Сравнение методик [6, 9-13] по наличию учитываемых параметров
Учёт параметра Методика
[9] [10, 13] [11] [11]* [6] [12]
Среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени Экспериментальный способ или постоянное значение 450 кВт/м2 Экспериментальный способ или постоянное значение 350 кВт/м2 Расчётный способ Экспериментальный способ или постоянное значение 400 кВт/м2 Расчётный способ Расчётный способ
Давление внутри сосуда - - + + + -
Теплота сгорания топлива - - + + + +
Тип вещества, вовлечённого в огненный шар (не зависит по массе) - - - - - -
Влияние погодных условий на развитие аварии - - - - - Учитывается относительная влажность воздуха
Примечание. + присутствие параметра; - отсутствие параметра
теплового излучения. Для одних и тех же исходных параметров по разным методикам мы получаем разные значения поражающих факторов. Это означает, что при обосновании безопасных расстояний на объектах нефтегазовой отрасли возникает трудность при выборе значений тепловых нагрузок, воздействующих на людей, здания и сооружения. Завышенные параметры тепловых нагрузок приведут к неоправданному удорожанию строительства, а заниженные - к увеличению степени повреждения зданий и сооружений от тепловой нагрузки при аварийном взрыве.
В таблице 3 проводится сравнение методик [6, 9-13] по наличию или отсутствию учитываемых параметров.
Авторами был проведён анализ методик по определению поражающих факторов при возникновении огненных шаров. Определено, что существует два вида методик, одни учитывают динамический характер огненного шара, другие определяют его как статическое явление.
В результате расчётов теплового потока, времени существования и диаметра огненного шара для одних и тех же исходных данных получаются существенно различные результаты, что вызывает ряд вопросов.
Актуальным остаётся вопрос совершенствования методик для определения параметров аварий с возникновением огненных шаров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шангараев Р. Р. Анализ пожаров на объектах нефтеперерабатывающего комплекса // Материалы международной научно-практической конференции «Исторический опыт, современные проблемы и перспективы образовательной и научной деятельности в области пожарной безопасности». М.: Академия ГПС МЧС России, 2018. С. 634-636.
2. Тараканов Д. А., Гапонов В. М. Разработка технических решений, направленных на предотвращение возникновения эффекта BLEVE в резервуарных парках объектах хранения нефтепродуктов // В сб.: Мавлютовские чтения: материалы XI Всероссийской молодежной науч. конф. Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2017. С. 292-294.
3. Девисилов В. А., Дроздова Т. И., Тимофеева С. С. Теория горения и взрыва: практикум. Учебное пособие / Под общ. ред. В. А. Девисилова. М.: Форум, 2012. 352 с.
4. Радоуцкий В. Ю., Шульженко В. Н., Нестерова Н. В., Радоуцкий В. Ю. Опасные технологии производства. Учебное пособие / Под ред. В. Ю. Радоуцкого. Белгород: БГТУ им. В. Г. Шухова, 2008. 202 с.
5. Ефремов С. В. Опасные технологии и производства. Учебное пособие. СПб: Изд-во политехнического университета, 2007. 236 с.
6. Методика анализа риска для опасных производственных объектов газодобывающих предприятий ОАО «Газпром» СТО Газпром 2-2.3-400-2009 [Электронный ресурс] // Портал российского научного общества анализа риска: сайт. Режим доступа: http:// www.sra-russia.ru/e_docs/tekhnogennye-chs/metodika-analiza-riska-dlya-opasnykh-proizvodstvennykh-obektov-gazodobyvayushchikh-predpriyatiy-oao- (дата обращения 01.07.2020).
7. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир, 1989. 682 с.
8. Колесников Е. Ю. Качественный анализ неопределенности аварийного риска взрыва типа BLEVE // Безопасность труда в промышленности. 2014. № 4. С. 62-69.
9. СП 12.13130.2009 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности» [Электронный ресурс] // Консорциум «Кодекс»: сайт. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200071156 (дата обращения 01.07.2020).
10. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 12.3.047-2012 «Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» [Электронный ресурс] // Консорциум «Кодекс»: сайт. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200103505 (дата обращения 01.07.2020).
11. Martinsen W. E., Marx J. D. An improved model for the prediction of radiant heat from fireballs. 1999 International Conference and Workshop on Modeling Consequences of Accidental Releases of Hazardous Materials San Francisco, California September 28 - October 1, 1999.
12. CasalJ., ArnaldosJ.,MontielH.,Planas-CuchiE, Vilchez J. A. Modeling and understanding BLEVEs. Centre destudis del risc tecnologic (CERTEC), Universitat Politecnica de Catalunya - Institut d'Estudis Catalans, Barcelona, Catalonia, Spain.
13. Приказ МЧС России от 10.07.2009 № 404 «Об утверждении методики определения расчётных величин пожарного риска на производственных объектах». [Электронный ресурс] // Консорциум «Кодекс»: сайт. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/ document/902170886 (дата обращения 01.07.2020)
14. Шангараев Р. Р. Тепловое воздействие от огненных шаров при некоторых авариях // Материалы 28-й международной научно-технической конференции «Системы безопасности -2019». М.: Академия ГПС МЧС России, 2019. С. 233-237.
15. Комаров А. А., Шангараев Р. Р. Анализ методик по определению поражающих факторов при авариях, сопровождаемых огненными шарами // Материалы 7-й Международной научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации». М.: Академия ГПС МЧС России, 2020. С. 305-308.
Материал поступил в редакцию 23 июня 2020 года.
Aleksander KOMAROV
Grand Dortor in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: bzbb@mail.ru
Rustam SHANGARAEV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: robson-rus7@yandex.ru
DETERMINATION OF DAMAGING EFFECTS IN ACCIDENTS RESULTING IN FIRE BALLS (BOILING LIQUID EXPANDING VAPOUR EXPLOSIONS)
ABSTRACT
Purpose. One of the scenarios of accidents at oil and gas facilities is the formation of a fireball (BLEVE - a boiling liquid expanding vapour explosion). The BLEVE phenomenon is characterized by a combination of physical processes accompanying the explosive boiling up of hydrocarbon liquids in high-pressure containers, the release of the contents of the container into the surrounding atmosphere with the formation of a rapidly burning aerosol cloud (a fireball) and a shock wave, as well as with the destruction of the vessel and the scattering of its parts.
The article describes the fireball formation process and the conditions for its occurrence. The authors made the calculations of the BLEVE parameters according to the existing domestic and foreign methods, carried out the analysis of these methods and drew conclusions based on the analysis. The purpose of the article is to determine the positive and negative aspects of the methods under consideration, to take them into account when creating a new methodology that will most accurately describe the BLEVE occurrence process.
Methods. A comparative analysis of the damaging effect numerical values in the existing methods was carried out.
Findings. When analyzing the methods, it was revealed that the parameters had not been sufficiently taken into account by all models. As a result of the heat flow calculations, the lifetime and the diameter of the fireball (BLEVE) for the same initial data, significantly different values were obtained. It follows that the improvement of methods for determining the parameters of accidents resulting in BLEVEs is of current interest.
Research application field. The research results can be used to improve the regulatory documents related to predicting accidents like BLEVEs, as well as in the construction and design of buildings and structures of various types, including oil and gas facilities.
Conclusions. The prospect of the research is the development of the methodology that will more accurately describe the formation of a fireball.
Key words: oil and gas industry, explosion, accident, fireball, BLEVE, liquefied petroleum gases.
REFERENCES
1. Shangaraev R.R. Analiz pozharov na obektakh neftepererabatyvaiushchego kompleksa. Materialy mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii "Istoricheskii opyt, sovremennye problemy i perspektivy obrazovatelnoi i nauchnoi deiatelnosti v oblasti pozharnoi bezopasnost!' [Analysis of fires at oil refining facilities. Materials of the international scientific and practical conference "Historical experience, modern problems and prospects of educational and scientific activities in the field of fire safety"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia, 2018. Pp. 634-636.
2. Tarakanov D.A., Gaponov V.M. Razrabotka tekhnicheskikh reshenii, napravlennykh na predotvrashchenie vozniknoveniia effekta BLEVE v rezervuarnykh parkakh obektakh khraneniia nefteproduktov. Materialy XI Vserossiiskoi molodezhnoi nauchnoi konferentsii "Mavliutovskie chteniia" [Development of technical solutions aimed at preventing the occurrence of the BLEVE effect in tank farms and oil product storage facilities. Materials of the XI all-Russian youth scientific conference "Mavlyutovsky readings"]. Ufa, Ufa State Aviation Technical University Publ., 2017, pp. 292-294.
3. Devisilov V.A., Drozdova T.I., Timofeeva S.S. Teoriia goreniia i vzryva [Theory of combustion and explosion]. Moscow, Forum, 2012. 352 p.
4. Rudowski V., Shulzhenko V.N., Nesterova N.V., Radowski V.Y. Opasnye tekhnologii proizvodstva [Threat production technology].
Belgorod, Belgorod State Technological University n.a. V.G. Shukhov Publ., 2008. 202 p.
5. Efremov S.V. Opasnye tekhnologii iproizvodstva [Dangerous technologies and production]. St. Petersburg, Polytechnic University Publ., 2007. 236 p.
6. Metodika analiza riska dlia opasnykh proizvodstvennykh obektov gazodobyvaiushchikh predpriiatii OAO "Gazprom' STO Gazprom 2-2.3-400-2009 [Methods of risk analysis for hazardous production facilities of gas-producing enterprises of JSC Gazprom STO Gazprom]. Available at: http://www.sra-russia.ru/e_docs/ tekhnogennye-chs/metodika-analiza-riska-dlya-opasnykh-proizvodstvennykh-obektov-gazodobyvayushchikh-predpriyatiy-oao-(accessed July 01, 2020) (in Russ.).
7. Marshall V. Major Chemical Hazards [In Russ. ed. Osnovnye opasnosti khimicheskikh proizvodstv. Moscow, Mir Publ., 1989. 682 p.]. Ellis Horwood, 1987, 1033 p.
8. Kolesnikov E.Yu. Qualitative analysis of the uncertainty of the emergency risk of an explosion of the BLEVE type. Bezopasnost truda v promyshlennosti (Industrial safety). 2014, no. 4, pp. 62-69.
9. Opredelenie kategorii pomeshchenii, zdanii i naruzhnykh ustanovok po vzryvopozharnoi i pozharnoi opasnosti SP 12.13130.2009 [Determination of categories of premises, buildings and outdoor
24
© Komarov A., Shangaraev R., 2020
installations for explosion and fire hazard. Set of rules]. Available at: http:// docs.cntd.ru/document/1200071156 (accessed July 01, 2020) (in Russ.).
10. Sistema standartov bezopasnosti truda. Pozharnaia bezopasnost tekhnologicheskikh protsessov. Obshchie trebovaniia. Metody kontrolia GOST R 12.3.047-2012 [System of labor safety standards. Fire safety of technological processes. General requirements. Control method. National standard of the Russian Federation]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200103505 (accessed July 01, 2020) (in Russ.).
11. Martinsen W.E., Marx J.D. An improved model for the prediction of radiant heat from fireballs. 1999 International Conference and Workshop on Modeling Consequences of Accidental Releases of Hazardous Materials San Francisco, California September 28 - October 1, 1999.
12. Casal J., Arnaldos J., Montiel H., Planas-Cuchi E., Vilchez J. A. Modeling and understanding BLEVEs. Centre destudis del risc tecnologic (CERTEC), Universitat Politecnica de Catalunya - Institut d'Estudis Catalans, Barcelona, Catalonia, Spain.
13. Prikaz MChS Rossii ot 10.07.2009 No. 404 "Ob utverzhdenii metodiki opredeleniia raschetnykh velichin pozharnogo riska na
proizvodstvennykh obektakh" [About approval of methodology for determining the estimated values of fire risk at industrial facilities. The order of EMERCOM of Russia]. Available at: http://docs.cntd.ru/ document/902170886 (accessed July 01, 2020) (in Russ.).
14. Shangaraev R.R. Teplovoe vozdeistvie ot ognennykh sharov pri nekotorykh avariiakh. Materialy 28-i mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Sistemy bezopasnosti - 2019" [Thermal impact from fireballs in some accidents. Materials of the 28th international scientific and technical conference "Security Systems -2019"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia, 2019, pp. 233-237.
15. KomarovA.A., Shangaraev R.R. Analizmetodikpoopredeleniiu porazhaiushchikh faktorov pri avariiakh, soprovozhdaemykh ognennymi sharami. Materialy 7-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Pozharotushenie: problemy, tekhnologii, innovatsii" [Analysis of methods for determining damaging factors in accidents accompanied by fire balls. Materials of the 7th International scientific and practical conference "Firefighting: problems, technologies, innovations"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia, 2020, pp. 305-308.
