CC BY
23
/92 Civil SecurityTechnology, Vol. 16, 2019, No. 1 (59) УДК 621.64
Прогнозирование последствий разрушения вертикального стального резервуара на стационарных складах материально-технического обеспечения
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2019
А.С. Мокроусов, И.Р. Габдрашитов Аннотация
Предложена зависимость, адекватно описывающая процесс разлива жидкости, которая может быть использована на практике для прогнозирования площади возможного затопления в случае полного разрушения вертикального стального резервуара, в том числе на складах материально-технического обеспечения МЧС России.
Ключевые слова: хранение горючего; склады; резервуарный парк; эксперимент; вертикальный стальной резервуар.
Predicting Consequences of Destruction of Vertical Steel Tank at Logistics Depot
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2019
A. Mokrousov, I. Gabdrashitov
Abstract
The article proposes a relationship that adequately describes liquid spill process and can be used to predict the potential spill area in the event of complete destruction of a vertical steel tank.
Key words: fuel storage; depot; tank farm; experiment; vertical steel tank.
Статья поступила в редакцию 31.01.2019.
Основной задачей службы горюче-смазочных материалов является своевременное и полное обеспечение подразделений системы МЧС России и МО РФ горючим и смазочными материалами как при выполнении ими мероприятий по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, пожаров и инцидентов на водных объектах (далее — ЧС), при ликвидации их последствий, так и в ходе обеспечения боевой, мобилизационной готовности [1].
Для выполнения этой задачи создана материально-техническая база, основу которой составляют склады и базы хранения горючего.
Одной из главных проблем на складах и базах горючего является отслуживший установленный срок эксплуатации резервуарный парк. К примеру, из доклада руководства Управления ракетного топлива и горючего Министерства обороны РФ, в настоящее время около 75% резервуаров отслужило установленные сроки эксплуатации. Приблизительно такое же состояние резервуарного парка и у МЧС России. Большинство складов и баз, резервуары и технологическое оборудование находятся в длительной эксплуатации [2].
Очевидно, что при таком состоянии резервуарного парка вероятность возникновения аварийных потерь резко возрастает.
По данным Госкомстата РФ, общий износ основных фондов нефтебаз превысил 55% их стоимости. Коэффициент ввода новых мощностей нефтебаз по России составляет 1% в год, тогда как коэффициент их вывода — 1,5%.
В перспективных планах страны прописана замена существующих военных складов и баз хранения 24 крупными производственно-логистическими комплексами (далее — ПЛК), которые к 2020 году должны заменить существующую систему хранения материальных ресурсов, которая насчитывает 330 объектов, а их ежегодное содержание обходится в 29,4 млрд руб. Это приведет к экономии за счет стоимости эксплуатации комплексов, которая оценивается в 14,8 млрд руб., и составляет половину стоимости обслуживания существующих объектов [3].
Поскольку большинство из существующих объектов не отвечает требованиям к операционно-складской деятельности и пожаробезопасности, появление ПЛК также расширит логистические возможности в процессе материально-технического обеспечения воинских подразделений (сил) [4].
По данным статистического эксперимента, проведенного на территории Российской Федерации, видно (рис. 1), что большая часть выводов резервуаров в ремонт происходит из-за выхода из строя днищ, являющихся наиболее поражаемым элементом конструкции резервуара.
В соответствии с действующими нормативными правовыми документами промышленные объекты, в составе которых имеются резервуары и резерву арные парки для хранения горючего, относятся к опасным производственным объектам.
Повышенную опасность эти объекты представляют при размещении их в непосредственной близости к объектам и природной зоне.
Применяемые защитные сооружения вокруг отдельно стоящих вертикальных стальных резервуаров (РВС) и резервуарных парков в виде земляных обвалований или защитных стен рассчитываются на гидростатическое давление, т.е. на удержание жидкости при достаточно медленном истечении и заполнении жидкостью каре обвалования [5].
Однако, как показала практика, наиболее опасной аварийной ситуацией является полное разрушение вертикального стального резервуара. Образующийся при этом мощный поток хранимой жидкости, так называемая волна прорыва, разрушает и преодолевает нормативные обвалования, выходит за пределы территории объекта, часто приводя к катастрофическим последствиям.
Если при разрушении резервуаров происходит еще и воспламенение хранящихся в них жидкостей, то характерной особенностью таких аварий является быстрый перенос горящим потоком опасных факторов пожара на большие расстояния и площади [6].
Одной из важнейших задач при оценке опасности резервуарного парка и разработке соответствующих мер противоаварийной защиты является прогнозирование
Рис. 1. Диаграмма выхода элементов резервуара из эксплуатации: I — коррозионное поражение днища; II — коррозионное поражение кровли; III — коррозионное поражение стенок; IV — деформация геометрической формы; V — дефекты сварных швов
/94 ^П SecurityTechnology, Vol. 16, 2019, No. 1 (59)
площади возможного разлива пожароопасной жидкости в случае разрушения РВС.
При обработке данных в качестве исходных параметров используются геометрические размеры резервуара, высота взлива хранимой жидкости, уклон производственной площадки (местности), а вид хранимой жидкости, ее свойства и температура, как показали исследования, существенного влияния на величину площади разлива не оказывали. С увеличением уклона производственной площадки форма площади разлива жидкости изменялась от кругообразной к трапецеидальной и далее приобретала форму вытянутой трапеции [7].
Для практического применения при определении величины площади разлива жидкости при полном разрушении РВС получена зависимость вида:
Sp = 0,3326(х1х2)2 + 1,552х12х2х3 (при кж > 0,5Нр), (1) где:
Sр — прогнозируемая площадь разлива жидкости, м2;
Нр — высота резервуара, м;
X = /№р), х2; х2 = /2^ж), х3; х3 = /3(0 — переменные, зависящие, соответственно, от диаметра аварийного резервуара ^р), высоты взлива жидкости в резервуаре до аварии (кж) и гидравлического уклона рельефа местности (/), изменяющегося в диапазоне от 0,01 до 0,07 [8].
Следует отметить, что разлив пожароопасной жидкости на значительной площади и воздействие опасных факторов пожара при полном разрушении РВС происходят за считанные секунды. Этого времени явно не достаточно для идентификации персоналом аварийной ситуации, принятия соответствующих ответных
действий по предотвращению разлива горящей жидкости и эвакуации.
В ходе практического семинара со специалистами МЧС России и предприятий нефтепродуктообеспечения и нефтебазового хозяйства был проведен эксперимент по разрушению РВС-700, заполненного жидкостью (водой).
При разрушении были видны отдельные моменты разрушения резервуара, распространения волны прорыва и ее взаимодействия с препятствиями (рис. 2).
Прослеживались основные стадии процесса: распространение потока в направлении ограждения, сопровождающееся понижением уровня жидкости в резервуаре; удар волны об обвалование и резкий выброс жидкости вверх и вдоль него; образование частичного обратного вала жидкости, отраженного от преграды и распространяющегося по направлению к центру резервуара; перехлест основной массы жидкости через обвалование и разлив воды на значительной площади [9].
Эксперимент также подтвердил и выявленные в ходе анализа статических данных аварий на резервуарах особенности разрушения конструкции РВС. В частности, после разрушения корпуса резервуара по вертикали на всю высоту стенка отрывается от днища и крыши и разворачиваются на 180 градусов. Резервуар реактивной силой сдвигается с фундамента в противоположную от истечения сторону. Крыша резервуара обрушивается на днище. При этом потоком жидкости и стенками аварийного РВС повреждаются (разрушаются) соседние резервуары [10].
Так как направление разрушения резервуара относительно соседних резервуаров или объектов практически не предсказуемо, сценарии развития таких аварий могут иметь большое количество вариантов. К наиболее
Рис. 2. Формы площадей разливов жидкостей и зон возможного затопления территорий:
Rp — радиус аварийного РВС; Rnp — радиус площади разлива; Ц,м — расстояние от центра аварийного РВС до центра
окружности, ограничивающей площадь разлива; Ц^а* — максимальное расстояние от центра аварийного РВС до границы зеркала разлива жидкости по направлению
максимального уклона рельефа местности; Ц™ — минимальное расстояние от центра аварийного РВС до границы зеркала разлива жидкости; R3 — радиус зоны
аварийного затопления
опасному, с точки зрения масштаба последствий мгновенного разрушения резервуара, следует отнести вариант развития аварии по принципу «домино», когда направление потока жидкости при разрушении РВС направлено на соседние резервуары группы, наружные технологические установки, здания или сооружения предприятия. В этом случае возможно цепное развитие аварии, что приведет к увеличению площади разлива (пожара), значительному материальному и экологическому ущербу, к необходимости сосредоточения большого количества сил и средств для локализации и ликвидации аварии (пожара) [11, 12].
Для получения наибольшей ожидаемой площади разлива жидкости и оценки последствий взаимодействия волны с защитной преградой разрушение РВС-700 произвели со стороны земляного обвалования резерву-арного парка.
Таким образом, результаты проведенного эксперимента подтвердили характер взаимодействия образовавшегося потока жидкости с земляным обвалованием. Основная масса жидкости перехлестнула через обвалование, частично размыв его гребень. Следует отметить, что ширина потока, подходящего к обвалованию, примерно соответствует диаметру резервуара. Затем происходит резкое увеличение ширины потока, особенно в направлении наибольшего уклона площадки
^ ~ 0,03). По мере своего продвижения поток частично разрушил обвалование, опрокинул фундаментный блок ФБС 24-5-6 массой 1,56 т и плиту перекрытия ПК 6012-8 массой 2,15 т, повредил и сдвинул с фундамента соседние резервуары, разрушил ограждение и вышел за пределы территории объекта. Площадь разлива достигла своих максимальных размеров примерно через 6-8 секунд с момента разрушения РВС, приняла трапецеидальную форму из-за особенностей рельефа местности и составила 5,2 тыс. м2.
Ожидаемая площадь разлива, рассчитанная по приведенной выше формуле при уклоне рельефа местности, находящемся в диапазоне от 0,015 до 0,030 включительно, составляет 5,6 тыс. м2. Необходимо отметить, что разлив жидкости при разрушении резервуара на завершающем этапе был ограничен расположенными в непосредственной близости естественными оврагами глубиной от 2,5 до 7,0 м, что привело к снижению фактической площади разлива.
Предложенная зависимость адекватно описывает процесс разлива жидкости и при дополнительной проработке и утверждении в установленном порядке может быть использована на практике для прогнозирования площади возможного затопления в случае полного разрушения вертикального стального резервуара, в том числе и на объектах МЧС России.
Литература
1. Коновалов В. Б. Методологическое обеспечение повышения эффективности системы материально-технического обеспечения в среднесрочной перспективе. Научные проблемы материально-технического обеспечения Вооруженных Сил Российской Федерации: Сб. науч. трудов. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. 416 с.
2. Квашнин Б. С., Вахрушев Ю. М., Фокин Н. Л. Методика оценки степени соответствия системы стационарных объектов хранения материально-технических средств служб тыла потребностям создаваемых группировок войск (сил) на стратегических направлениях // Сб. рефер. депонированных рукоп. 2007. Сер. Б. Вып. № 80. М.: ЦВНИ МО РФ, 2007.
3. Чернов В. Н. Глубокая операция — «новая концепция» в военных действиях НАТО. М.: Армейский сборник, 2013.
4. Квашнин Б. С. Док. дис. «Методология обоснования требований к показателям качества технических средств службы горючего МО РФ». СПб.: ВАТТ, 1996. 187 с.
5. Артемьев В. Г., ГубейдуллинХ. Х., Гайсин Р. М. Перемещение неньютоновских жидкостей. Оптимизация сложных биотехнологических систем // Сб. Мат. НПК. Оренбург, 2003. С. 23-29.
6. Артемьев В. Г., ГубейдуллинХ. Х., Исаев Ю. М. О движении жидких материалов // НПК, Сб. тр. Рязань, 2003.
7. Швырков С. А., Семиков В. Л., Швырков А. Н. Анализ статистических данных разрушений резервуаров // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. 1996. Вып. 5. С. 39-50.
8. Сучков В. П. Актуальные проблемы обеспечения устойчивости к возникновению и развитию пожара технологий хранения нефти и нефтепродуктов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1995.
9. Кондрашова О. Г., Назарова М. Н. Причинно-следственный анализ аварий вертикальных стальных резервуаров // Нефтегазовое дело. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2004.
10. Котляревский В. А., Шаталов А. А., ХануховХ. М. Безопасность резервуаров и трубопроводов. М.: Экономика и информатика, 2000. 552 с.
11. Суслов О. В., Назаров С. М. Организация эксплуатации и строительства складов горючего и ракетного топлива: Учеб. Л.: ВАТТ, 1982. 340 с.
12. Бариев С. Р., Березкина Т. Е., Кислякова Н. А. Основы управления: Учеб. пособ. для бакалавров. М.: Проспект, 2013.
Сведения об авторах
Мокроусов Алексей Сергеевич: к. т. н., доц., Вольский военный институт материального обеспечения, докторант очной докторантуры.
412913, Саратовская область, Вольск, ул. М. Горького, 3. е-таН: mokrousov85@rambler.ru
Габдрашитов Ильдар Рашитович: Вольский военный институт материального обеспечения, адъюнкт очной адъюнктуры.
412913, Саратовская область, Вольск, ул. М. Горького, 3. е-таН: sgsm86789@mail.ru
Information about authors
Mokrousov Aleksey S.: Candidate of Technical Sciences, Volsky Military Institute of Material Security, doctoral student full-time doctoral.
3 str. M. Gorky, Volsk, Saratovskaya oblast, 412913, Russia. e-mail: mokrousov85@rambler.ru
Gabdrashitov Ildar R.: Volsky Military Institute of Material Security, adjunct full time adjuncture. 3 str. M. Gorky, Volsk, Saratovskaya oblast, 412913, Russia. e-mail: sgsm86789@mail.ru
