CC BY
24WP, моль/(м3'с) 0,004
0,003
0,002 0,001
0,000
>0,0 ' 0,2 ' 0,4 ' 0,6 ' 0,8 ' 1,0 ’pb-10“5, Па
Рис. 6. Зависимость критической скорости инициирования от давления в исходной реакционной эквимолярной смеси Н2 + Cl2
Проведенные теоретические исследования позволили выяснить влияние начальных условий (начальная температура, давление, состав смеси и радиус сосуда) на развитие радиационнотеплового взрыва в смесях водорода с хлором, при инициировании реакции непрерывным электромагнитным излучением и вычислить их критические значения.
Результаты вычислений, достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, что подтверждает корректность разработанной математической модели.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СеменовН. Н. Цепные реакции. - М.: Наука, 1986.
2. Кондратьев В. Н. Константы скорости газофазных реакций. - М.: Наука, 1970.
3. Полуэктов В. А., Бегишев И Р Метод идентификации неразветвлённой цепной реакции с перекрёстным обрывом цепи // Доклады АН СССР. - 1977.
4. Полуэктов В. А. Кинетика цепной неразветвлённой реакции при импульсном инициировании (двухчастичная задача) // Теоретическая и экспериментальная химия. - 1979. - T. 15. - № 3.
УДК 614.84
С. А. Швырков
кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры пожарной безопасности технологических процессов Академии ГПС МЧС России
S. Shvyrkov
СПОСОБ МИНИМИЗАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ РАЗРУШЕНИЙ РЕЗЕРВУАРОВ БОЛЬШОГО ОБЪЕМА
Рассматривается способ совершенствования ограждений резервуаров большого объема для минимизации негативных последствий разлива нефти на примере разрушения РВСПК-100 000 м3.
Ключевые слова: нефтяные резервуары, разлив нефти и нефтепродуктов, пожарный риск.
WAY MINIMIZE THE CONSEQUENCES OF DESTRUCTION OF LARGE VOLUME RESERVOIRS
We consider a way to improve the fencing of a large reservoir volume to minimize the negative effects of oil spill on the example of the destruction of reservoir-100 000 m3.
Keywords: oil tanks, flood of oil and mineral oil, fire risk.
Вертикальные стальные цилиндрические резервуары (РВС) для хранения нефти и нефтепродуктов являются сооружениями с высокой потенциальной опасностью и возможностью нанесения значительного экономического и экологического ущерба окружающей среде в случае их полного разрушения. Несомненно, указанная опасность многократно увеличивается, вплоть до превышения в отдельных случаях первоначальной стоимости самого объекта, за счет нанесенного ущерба, при авариях крупногабаритных резервуаров, что подтверждается статистическими данными аварий и пожаров, произошедших на нефтяных терминалах во всем мире [1-5].
Основным аспектом, непосредственно влияющим на возникновение чрезвычайной ситуации в резервуарном парке, является неэффективность существующих способов по локализации разливов нефти и нефтепродуктов при разрушении РВС. Так, в соответствии с требованиями действующих норм защитные преграды выполняются в виде земляных обвалований или ограждающих стен и рассчитываются только на гидростатическое удержание пролитой жидкости. Однако при разрушении РВС образуется мощный поток (волна прорыва), который обладает значительной силой, разрушающей такие преграды, приводя к катастрофическим последствиям уже в первые мгновения аварии.
Таким образом, разработка новых способов защиты от разлива жидкостей при разрушениях крупногабаритных резервуаров, строительство которых в настоящее время приобрело важное народно-хозяйственное значение, и методов их расчета весьма актуальна.
Ниже, в качестве примера, приводится один из способов совершенствования преграды для резервуара с плавающей крышей типа РВСПК-100 000 м3, заключающийся в дополнительном обустройстве земляного обвалования защитной стеной с волноотражающим козырьком (рис. 1), что позволит полностью удержать продукт в границах огражденной территории, тем самым минимизировать последствия аварии [6].
Для подтверждения эффективности такого способа защиты было проведено моделирование процесса разрушения резервуара с образованием волны прорыва и ее воздействием на преграду, в основе которого лежало численное решение систем уравнений гидродинамики и уравнений деформируемого твердого тела в связанной пространственной постановке в среде программного комплекса для инженерных расчетов ЬБРУИД [7].
Рис. 1. Трехмерная геометрическая модель резервуара и ограждения специальной конструкции
Численное моделирование проводилось на полномасштабных моделях объектов. Поскольку задача имела плоскую симметрию, то рассчитывалась половина модели с заданием условия не-протекания для жидкости и ограничения нормального перемещения узлов стенки РВСПК на плоскости симметрии. До момента разрушения стенки резервуара был проведен расчет равновесного состояния РВСПК и столба жидкости в поле силы тяжести. В расчете учитывалось трение между днищем, стенкой резервуара и грунтом. Коэффициент трения принят равным 0,3. В качестве нагрузки для жидкости и резервуара задавалось объемное нагружение силой тяжести с ускорением д = 9,81 м/с. Стенки и днище РВСПК моделировались оболочечными конечными элементами. Механические свойства материалов стенок и днища описывались как упругопластическая среда с изотропным упрочнением и деформационным критерием прочности с параметрами, соответствующими марке стали для различных поясов. Днище РВСПК свободно опиралось на ровную поверхность. Расчет напряженно-деформированного состояния стены ограждения не проводился. Стена считалась недеформируемой. Нефть рассматривалась как сжимаемая вязкая среда с полиномиальным уравнением состояния, плотностью 800 кг/м3 и вязкостью 0,08 Па^с. Остальная часть расчетной области заполнялась средой с уравнением состояния идеального газа плотностью 1,23 кг/м3. Задача решалась в связанной постановке, то есть течение жидкости, газа и деформация структуры рассчитывались одновременно, при этом размерность модели для области с заданными параметрами составила около 500 000 элементов.
Разрушение стенки РВСПК начиналось с вертикальной трещины на уровне 2-4 поясов, что приводило к практически мгновенному разрыву стенки резервуара по всей высоте без изменений полей скорости и давления в жидкости, в связи с чем фаза распространения вертикальной трещины не моделировалась, и считалось, что стенка мгновенно разрушается в заданный момент времени.
Изложенный метод позволяет в деталях исследовать динамику движения волны прорыва, перелив жидкости через ограждение и разлив жидкости за ограждением, а также динамику деформирования стенки РВСПК. Расчетное начальное поле давлений в жидкости соответствовало гидростатическому распределению в поле силы тяжести с максимальным значением давления на днище 125 кПа. Напряженно-деформированное состояние РВСПК перед разрушением рассчитывалось как для неразрушенного объекта (рис. 2).
Под действием внутреннего гидростатического давления жидкости последующее разрушение РВСПК сопровождается радиальным движением стенки, раскрытием вертикальной трещины и отрывом стенки от днища. Разрушение резервуара после образования вертикальной трещины начинается выпучиванием стенки в 2-4 поясах. В течение последующих 6,0 с происходит полный отрыв стенки от днища. Раскрытие стенки приводит к появлению не скомпенсированного усилия на противоположной к разрушившейся стороне резервуара, что связано с гидростатическим давлением оставшейся жидкости. В результате действия напора резервуар движется в противоположном относительно стены ограждения направлении. В момент полного отрыва стенки резервуара днище останавливается, а стенка еще продолжает движение до столкновения с ограждением. По мере раскрытия разрыва и отрыва стенки резервуара от днища жидкость вытекает в постоянно увеличивающийся в поперечном размере канал, образуемый стенками резервуар. Нестационарное течение выливающейся жидкости при разрушении РВСПК совместно с нормативным ограждением и при разрушении РВСПК совместно с ограждением специальной конструкции показаны на рис. 3 и 4, соответственно, из которых видно, что тело растекания не является осесимметричным, поскольку стенка РВСПК достаточно продолжительное время подпирает поток с тыла и флангов. В начальный момент натекания струи на преграду (рис. 4) поток меняет направление скорости на вертикальное и движется вверх в направлении отбойного козырька. Отбойный козырек в свою очередь отклоняет поток под углом 45° обратно в сторону резервуара, препятствуя тем самым переливу через стену ограждения. Описанное выше вертикальное течение жидкости происходит одновременно с нарастающей, а затем убывающей глубиной натекающего потока со стороны резервуара и растеканием жидкости вдоль стены ограждения.
к
т = 1,6 с
Fringe Levels 4.873е*08 4.390е+08 3.907е + 08 3.423е*08 2.940е + 08 2.457е+08 1.974е*08 1.491et08 1.О0Ве+О8 5.249е*07 4.178е*06
'
x = 7,6 с
Fringe Levels 5.591 e+08 5.035e+08 I 4.480e+08 3.924e+08 _ 3.368e + 08 _ 2.812e+08 _ 2.256e+08_
1.701 e+08 _
1.145e+08 _ ^В91е+П7
x = 3,2 c
v;
Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние РВСПК-100 000 м3 в различные моменты времени
х = 20,0 с
Рис. 3. Взаимодействие волны прорыва при разрушении резервуара с нормативным обвалованием в различные моменты времени (расстояние до обвалования 30 м)
х = 21,1 с
Рис. 4. Взаимодействие волны прорыва при разрушении резервуара с защитным ограждением специальной конструкции в различные моменты времени (расстояние до обвалования 30 м)
В результате численного моделирования разрушения РВСПК была рассчитана эффективность заданных конструкций защитных ограждений по предотвращению разлива жидкости. Объем разлившегося продукта в работе оценивался прямым измерением расчетной глубины слоя нефти, оставшейся внутри ограждения. Размыв обвалования нефтью в расчете не учитывался, поэтому расчетные значение перелива нефти следует рассматривать как нижнюю границу.
Расчеты показали, что при разрушении РВСПК-100 000 м3 и расположении специального защитного ограждения, общей высотой 6 м, на расстоянии 30 или 50 м от резервуара, перелив нефти составит от 15 до 5 %, соответственно, а через нормативное земляное обвалование, проектной высотой 4 м, на расстоянии 30 м от РВСПК - более 50 %. Дополнительно проведенные расчеты, при незначительном увеличении высоты специальной ограждающей стены и ширины волноотражающего козырька с одного до полутора метров, показали, что нефть может быть полностью удержана в границах защитного сооружения. Также было проведено исследование влияния плавающей крыши резервуара на разлив хранимой жидкости, что обусловлено ее значительным весом в 90 тонн и диаметром, практически равным диаметру резервуара, то есть возможностью воздействия крыши на жидкость подобно поршню. Однако, результаты сравнительного расчета для случая возведения обвалования на расстоянии 30 м от РВСПК, показали, что в пределах ошибки вычислений плавающая крыша не оказывает существенного влияния на разлив нефти при разрушении резервуара.
Таким образом, дополнение нормативного земляного обвалования защитной стеной с волноотражающим козырьком или полная его замена на ограждение специальной конструкции значительно более эффективно предотвращает разлив продукта при разрушении резервуара большого объема, тем самым способствует минимизации последствий возможных аварий и катастроф в резервуарных парках объектов хранения нефти и нефтепродуктов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Швырков С. А. Статистика квазимгновенных разрушений резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов / С. А. Швырков, С. А. Горячев, В. П. Сорокоумов и др. // Пожаровзрывобезопасность. -2007. - Т. 16. - № 6. - С. 48-52.
2. Галеев В Б. Аварии резервуаров и способы их предупреждения: Научно-техническое издание /
B. Б. Галеев, Д. Ю. Гарин, О. А. Закиров и др. / Под ред. проф. Галеева В. Б. и Шарафиева Р. Г. - Уфа: ГУП «Уфимский полиграфкомбинат», 2004. - С. 12-13.
3. Розенштейн И М. Аварии и надежность резервуаров / И. М. Розенштейн. - М.: Недра, 1995. -
C. 225.
4. Авария большого резервуара в Японии / пер. с англ. Ж. Хайкан Гидзюцу. - М., 1975. - Т. 8. -№ 5. - С. 128-142.
5. Землянский А. А. Принципы конструирования и экспериментально-теоретические исследования крупногабаритных резервуаров нового поколения. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2005. - С. 46-56.
6. Швырков С. А. Защита окружающей среды при разрушениях крупногабаритных резервуаров на морских нефтяных терминалах // Газовая промышленность. - 2008. - № 619. - С. 34-37.
7. Богач А. А, Швырков С. А. Моделирование процесса разлива нефти на площадке терминала при квазимгновенном разрушении РВСПК-100 000 // Сборник трудов 7-й конференции пользователей программного обеспечения СДО-БЕМ ОтЬН (Москва, 23-24 мая, 2007) / Под ред. А. С. Шадского. - М.: Полигон-пресс, 2007. - С. 428-442.
