New equation for determination of overpressure of fuel-air mixture blast

  • Authors: Alexseev S.G.1,2, Avdeev A.S.1,3, Barbin N.M.2,4
  • Affiliations:
    1. Scientific and Engineering Center “Reliability and Resource of Large Systems and Machines” of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
    2. Ural Institute of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia
    3. Forensic Expert Institution of the Federal Firefighting Service “Test Fire Laboratory” in Perm Region
    4. Ural State Agrarian University
  • Issue: Vol 16, No 3 (2017)
  • Pages: 274-279
  • Section: ARTICLES
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/geo/article/view/1244
  • DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9923/2017.3.8
  • Cite item

Abstract


The problems of assessing the consequences of fuel-air mixtures and their prevention are topical and of practical interest. Such the explosions pose a real danger during processing, transportation and storage of fuels at various industrial and civil facilities. Forecast of possible consequences of explosions of fuel-air mixtures is a key element in development of protective measures. Today, various calculation methods have been developed and approved by different departments and organizations. The authors of the article have previously verified methods of Gosatomnadzor (RB G-05-039-96), Rostechnadzor (RD 03-409-01, PB 09-540-03, Method for assessment of consequences of accidental explosions of fuel-air mixtures, General explosion safety rules for explosive chemicals, petrochemicals and refineries), EMERCOM of Russia (GOST R 12.3.047-98, GOST R 12.3.047-2012, SP 12.13130.2009), Netherlands Organisation for Applied Scientific Research, Dorofeev, Baker-Strehlow and Baker-Strehlow-Tang for prediction of consequences of air-fuel mixture explosions at the example of real explosions. It is established that the detonation regime is best described by the Dorofeev's method and multi-energy method of Netherlands Organisation for Applied Scientific Research (ME-TNO) for deflagration regime. Thus, it is promising to create a synthesis method that could combine approaches of the methods. Detonation mode was picked out using the ME-TNO method and replaced by Dorofeev's method. Such a technique allowed proposing a new equation for predicting explosion pressure of fuel-air mixtures: where P 0 is atmosphere pressure, Rx is reduced distance (Sachs’s parameter), a - h are empirical constants that depend on the class of blast transformation. As a result of the research, a new equation is proposed. An equation allows calculating the overpressure of explosion, which more accurately predicts the consequences of fuel-air explosions at petroleum and gas, petrochemical and chemical industries.


Full Text

Введение Проблемы оценки взрывоопасности топ-ливовоздушных смесей (далее ТВС) и предупреждения взрывов ТВС являются злободневными и имеют практический интерес, так как они представляют реальную опасность при переработке, транспортировке (перекачке) и хранении топлив на различных промышленных и гражданских объектах. Прогнозирование возможных последствий взрывов ТВС является основным элементом в разработке защитных мероприятий [1-10]. В настоящее время различными ведомствами и организациями разработаны и утверждены разные расчётные методики. Ранее нами проведены работы по изучению возможностей отечественных и зарубежных методик по прогнозированию последствий взрывов ТВС. На примерах решения однотипных расчетных задач показана плохая совместимость методов Госатомнадзора, Ростехнадзора, МЧС России, Нидерландской организации прикладных научных исследований (Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onder-zoek, сокращенно TNO), Дорофеева, Бейкера-Стрелоу (BS) и Бейкера-Стрелоу-Танга (BST) [11-23]. При анализе последствий реальных взрывов ТВС установлено, что режим детонации лучше всего описывает метод Дорофеева, а режим дефлаграции - мульти-энергетический метод TNO (ME-TNO). При известной скорости распространения пламени методика Ростехнадзора дает удовлетво-рительные результаты [21-23]. Таким образом, создание синтез-метода, в котором сочетались бы подходы методик Дорофеева и ME-TNO, является перспективным направлением. Основные положения методов Дорофеева и ME-TNO Метод Дорофеева [21-23] можно рассматривать как дальнейшее развитие подхода методики Ростехнадзора, поскольку С.Б. Дорофеев является одним из разработчиков РД 03-409-01[3] [24]. Основное отличие этих методов заключается в способе определения параметров взрыва ТВС в режиме детонации. В РД 03-409-01 [27] и РБ «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей» [28] используются уравнения (1)-(4), а в методе Дорофеева - формулы (3)-(6). (2) (2) (1) (3) (4) а в методе Дорофеева - формулы (3); (4) и (5) (6) где Px, Ix - приведенные давление взрыва и импульс положительной фазы сжатия воздушной ударной волны (ВУВ); Rх - приведенное расстояние или параметр Сахса (Sach), ; R - расстояние от центра взрыва, м; E - энергия взрыва, Дж; P0 - нормальное давление, кПа; С0 - скорость звука в воздухе, м/с. В ME-TNO - методе для описания взрывов ТВС - используются формулы (3), (7), (8) (7) (8) где tp - время сжатия ВУВ, с. Применяются также специальные номограммы, описывающие зависимость приведенных давления взрыва (Рх) и времени положительной фазы сжатия ВУВ () от параметра Сахса (Rx). При этом все взрывы разбиваются на 10 классов (табл. 1) [29]. Таблица 1 Классификация взрывоопасных ситуаций по TNO [29] Класс Условия воспламе-нения1 Загромож-дение прост-ранства2 Парал-лельное ограни-чение3 Вид окру-жающего прост-ранства4 7-10 Благоприятные Сильное Есть Замкнутое 7-10 Благоприятные Сильное Нет Незамкнутое 5-7 Малоблагопри-ятные Сильное Есть Замкнутое 5-7 Благоприятные Слабое Есть Замкнутое 4-6 Благоприятные Слабое Нет Незамкнутое 4-6 Благоприятные Нет Есть Замкнутое 4-5 Малоблагопри-ятные Сильное Нет Незамкнутое 4-5 Благоприятные Нет Нет Замкнутое 3-5 Малоблагопри-ятные Слабое Есть Замкнутое 2-3 Малоблагопри-ятные Слабое Нет Незамкнутое 1-2 Малоблагопри-ятные Нет Есть Замкнутое 1 Малоблагопри-ятные Нет Нет Незамкнутое Примечания: 1. «Благоприятные» - любой источник зажигания в условиях ограниченного вентилирования. «Малоблагоприятные» - открытый источник зажигания (искра, открытое пламя, нагретая поверхность и т.п.). 2. «Сильное» - в области взрывоопасного облака присутствуют многочисленные препятствия, затрудняющие его свободное перемещение. При этом более 30 % суммарного объема ТВС находится на территории с препятствиями и преградами, расстояние между которыми составляет не более 3 м. «Низкое» - в ТВС присутствуют препятствия и преграды. Расстояние между ними составляет более 3 м. Суммарный объем газо- и паровоздушного облака на территории с препятствиями и преградами не превышает 30 %. «Нет» - в ТВС нет преград и препятствий для его свободной диффузии. В адаптации к подходу Ростехнадзора классификацию TNO загромождения пространства (сильное - слабое - нет) следует трактовать, как «сильное - среднее - слабое (нет)» [21]. 3. «Есть» - ТВС ограничена стенами или барьерами с двух или трех сторон. «Нет» - ограничения для взрывоопасного облака, за исключением поверхности земли (пола), отсутствуют. 4. «Замкнутое» - помещение. «Незамкнутое» - открытое пространство. Синтез-методика Для создания синтез-методики, в которой сочетаются подходы методов Дорофеева и ME-TNO, необходимо вычленить режим детонации в методе ME-TNO и заменить его на подход Дорофеева. Формально в ME-TNO нет разделения взрывов ТВС на детонацию и дефлаграцию [29]. Однако понятно, что взрывы высоких классов (см. табл. 1) будут соответствовать режиму детонации. Для решения этой задачи воспользуемся подходом Ростехнадзора, который для дефлаграционных взрывов ТВС предусматривает выбор наименьшего значения Рх, которое получается при вычислении по формулам для взрывного превращения в режимах детонации и дефлаграции [27, 28]. При этом учтем, что уравнение (5) начинает действовать при Rx ≥ 0,33 [25, 26]. Поскольку в методе ME-TNO показатель Ix не определяется, то для сравнительного анализа выбран только один параметр - приведенное давление взрыва Рх. Расчеты выполнены с помощью Excel 2010 и ранее разработанной компьютерной программы «Расчет параметров взрыва газопаровоздушных смесей» [30] (табл. 2). Таблица 2 Результаты расчетов Px по методам Дорофеева и ME-TNO при Rx = 0,33 Параметр Дорофеев ME-TNO Класс взрыва 10 9 8 7 Рх 2,15 6,23 4,66 2,00 1,00 На основании данных табл. 2 можно сделать вывод, что 9-й и 10-й классы взрывов по TNO относятся к режиму детонации ТВС. Таким образом, 10-й класс в синтез-методике, которая объединяет подходы Дорофеева и ME-TNO, исключается, а 9-й класс заменяется на метод Дорофеева. С помощью программы TableCurve 2D (версия 5.01.05) установлено, что приведенное давление взрыва в синтез-методике хорошо описывается уравнением с коэффициентами корреляции (0,998-0,999): (10) (9) Таким образом, избыточное давление взрыва может быть рассчитано, в зависимости от класса взрывного превращения, по формуле где a-h - эмпирические константы, зависящие от класса взрывного превращения (табл. 3). Таблица 3 Эмпирические константы для уравнения (9) Класс Константы a b c d e f g h 9* -0,00113 0,14003 0,42948 -0,26310 0,13025 -0,03291 0,00326 0,00000 8 -0,00115 0,18519 1,03553 -3,31372 4,53397 -2,52705 0,61063 -0,05355 7 -0,00486 0,42504 -1,21857 3,18796 -2,77262 1,10151 -0,20798 0,01517 6 0,00106 0,16827 0,51056 -0,48531 0,17496 -0,02869 0,00178 0,00000 5 0,00067 0,10223 0,06329 -0,04327 0,00138 0,00274 -0,00039 0,00000 4 -0,00017 0,07668 -0,05025 0,09424 -0,07766 0,02803 -0,00462 0,00028 3 -0,00002 0,03459 0,00359 -0,01747 0,02022 -0,01163 0,00298 -0,00027 2 0,00078 0,00542 0,03084 -0,03664 0,01947 -0,00577 0,00093 -0,00006 1 -0,00017 0,01057 -0,01574 0,02993 -0,02616 0,01087 -0,00215 0,00016 Примечание. * - режим детонации. Заключение С помощью синтез-метода предложено новое уравнение для расчета избыточного давления взрыва, которое более точно прогнозирует последствия взрывов ТВС на объектах нефтегазовой, нефтехимической и химической отраслей промышленности.

About the authors

Sergey G. Alexseev

Scientific and Engineering Center “Reliability and Resource of Large Systems and Machines” of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Ural Institute of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia

Author for correspondence.
Email: 3608113@mail.ru
54 Studencheskaya st., Building A, Yekaterinburg, 620049, Russian Federation; 22 Mira st., Yekaterinburg, 620062, Russian Federation

PhD in Chemistry, Associate Professor, Corresponding Member of the Worldwide Academy of Sciences for Complex Security, Senior Research Fellow

Aleksandr S. Avdeev

Scientific and Engineering Center “Reliability and Resource of Large Systems and Machines” of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Forensic Expert Institution of the Federal Firefighting Service “Test Fire Laboratory” in Perm Region

Email: 3608113@mail.ru
54 Studencheskaya st., Building A, Yekaterinburg, 620049, Russian Federation; 53 Ekaterininskaya st., Building A, Perm, 614990, Russian Federation

Head of the Sector

Nikolay M. Barbin

Ural Institute of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia; Ural State Agrarian University

Email: NMBarbin@mail.ru
22 Mira st., Yekaterinburg, 620062, Russian Federation; 42 Karla Libknekhta st., Yekaterinburg, 620075, Russian Federation

Doctor of Engineering, Associate Professor, Honorary Worker of Science and Technology of the Russian Federation, Senior Research Fellow

References

  1. Beschastnov M.V. Promyshlennye vzryvy. Otsenka i preduprezhdenie [Industrial explosions. Assessment and warning]. Moscow, Khimiia, 1991, 432 p.
  2. Akinin N.I., Bulkhov N.N., Gerish V.A. Statisticheskii analiz prichin avarii i travmatizma na opasnykh proizvod­stvennykh ob"ektakh [Statistical analysis of the causes of accidents and injuries at hazardous production facilities]. Pozharovzryvobezopasnost', 2010, vol. 9, no.10, pp.53-55.
  3. Akinin N.I., Babaitsev I.V. Tekhnosfernaia bezopasnost'. Osnovy pro-gnozirovaniia vzryvoopasnosti parogazovykh smesei [Technospheric safety. Basics of the prediction of the explosion hazard of combined-gas mixtures]. Dolgoprudnyi, Intellekt, 2016, 248 p.
  4. Eckhoff R.K. Explosion hazards in the process industries. Houston, Gulf Publishing Co., 2005, 468 p.
  5. Nolan D.P. Handbook of fire & explosion protection engineering principles for oil, gas, chemical, & related facilities. Westwood, Noyes Publications, 1996, 305 p.
  6. Casal J. Evolution of the effects and consequences of major accidents in industrial plants. Amsterdam, Elsevier, 2008, 379 p.
  7. Guidelines for vapor cloud explosion, pressure vessel burst. N.Y., John Wiley & Sons, Inc., AICE, 2010, 456 p.
  8. Assael M.J., Kakosimos K.E. Fires, Explosions, and Toxic Gas Dispersions. Effects Calculation and Risk Analy-sis. Boca Raton, CRC Press, 2010, 345 p.
  9. Crowl D.A. Understanding Explosions. N.Y., AICE, 2003, 221 p.
  10. Guidelines for evaluating the CHaracteristics of vapor cloud explosion, Flash Fire, and BLEVEs. N.Y., AICE, 1994, 401 p.
  11. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Barbin N.M., Timashev S.A., Guryev Ye.S. Metody otsenki vzryvopo­zharoopasnosti toplivovozdushnykh smesey na primere kerosina marki RT. I. RB G-05-039-96 [Methods of explosion fire hazard of fuel and air mixtures on an example for jetfuel RT. I. RB G-05-039-96]. Pozharovryvobezopasnost, 2010, vol.19, no.5, pp.37-47.
  12. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Barbin N.M., Timashev S.A., Guryev Ye.S. Metody otsenki vzryvopozharoopasnosti toplivovozdushnykh smesey na primere kerosina marki RT. II. RD 03-409-01 [Methods of explosion fire hazard of fuel and air mixtures on an example for jetfuel RT. II. RD 03-409-01]. Pozharovryvobezopasnost, 2011, vol.20, no.1, pp.21-27.
  13. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Barbin N.M., Timashev S.A., Guryev Ye.S. Metody otsenki vzryvopozharoopasnosti toplivovozdushnykh smesey na primere kerosina marki RT. III. SP 12.13130.2009 [Methods of explosion fire hazard of fuel and air mixtures on an example for jetfuel RT. III. SP 12.13130.2009]. Pozharovryvobezopasnost, 2012, vol.21, no.1, pp.33-38.
  14. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Barbin N.M., Timashev S.A., Guryev Ye.S. Metody otsenki vzryvopozharoopasnosti toplivovozdushnykh smesey na primere kerosina marki RT. IV. GOST R 12.3.047-98 [Methods of explosion fire hazard of fuel and air mixtures on an example for jetfuel RT. IV. GOST R 12.3.047-98]. Pozharovryvobezopasnost, 2012, vol.21, no.6, pp. 34-37.
  15. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Barbin N.M., Tima­shev S.A., Guryev Ye.S. Metody otsenki vzryvopozharoopas­nosti toplivovozdushnykh smesey na primere kerosina marki RT. V. PB 09-540-03 [Methods of explosion fire hazard of fuel and air mixtures on an example for jetfuel RT. V. PB 09-540-03]. Pozharovryvobezopasnost, 2012, vol.21, no.8, pp.32-35.
  16. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Barbin N.M., Tima­shev S.A., Guryev Ye.S. Metody otsenki vzryvopozharoopas­nosti toplivovozdushnykh smesey na primere kerosina marki RT. VI. TNO-metody (chast 1) [Methods of explosion fire hazard of fuel and air mixtures on an example for jetfuel RT. VI. TNO methods (part 1)]. Pozharovryvobezopasnost, 2013, vol.22, no.7, pp.22-29.
  17. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Barbin N.M., Guryev Ye.S. Metody otsenki vzryvopozharoopasnosti top-livovozdushnykh smesey na primere kerosina marki RT.VII. BST metody [Methods of explosion fire hazard of fuel and air mixtures on an example for jetfuel RT. VII. BST methods]. Pozharovryvobezopasnost, 2013, vol.22, no.12, pp.23-30.
  18. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Barbin N.M., Guryev Ye.S. Metody otsenki vzryvopozharoopasnosti top-livovozdushnykh smesey na primere kerosina marki RT. VIII. Sravnenie metodov Dorofeeva, RD 03-409-01 i BST2 [Methods of explosion fire hazard of fuel and air mixtures on an example for Jetfuel RT. VIII. Comparison of methods of Dorofeev, RD 03-409-01 and BST2]. Pozharovryvo-bezopasnost, 2015, vol.24, no.3, pp. 6-12.
  19. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Guryev Ye.S., Barbin N.M. Sravnitelnyy analiz metodik prognozirovaniya posledstviy vzryvov gazoparovozdushnykh smesey [Comparative analysis of forecasting methods for aftereffects of vapor cloud explosions]. Problemy analiza riska, 2013, vol.10, no.4, pp.12-19.
  20. Alexeev S.G., Guryev Ye.S., Barbin N. M. Eshche raz o sravnenii metodik prognozirovaniya posledstviy vzryvov toplivnovozdushnykh smesey [About comparison of methods of forecasting of consequences of vapor cloud explosions again]. Problemy analiza riska, 2015, vol.12, no.2, pp.56-70.
  21. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Barbin N.M., Poli-shchuk E.Yu. Sravnitel'nyy analiz metodik prognozirovaniya VCE na primere vzryva vo Fliksboro [Comparative analysis of techniques of forecasting vce on an explosion example in Flixborough]. Pozharovryvo-bezopasnost, 2015, vol.24, no.5, pp.24-35.
  22. Alexeev S.G., Guryev Ye.S., Barbin N.M., Zhivotinskaya L.O. Verifikatsiya metodik prognozirovaniya posledstviy na primere real'nogo vzryva izopentana [Verification of techniques of forecasting of consequences on the example of real explosion of isopentane]. Tekhnosfernaya bezopasnost, 2015, no.2 (7), pp.22-23.
  23. Alexeev S.G., Avdeev A.S., Litvinov V.N., Gracheva N.N., Rudenko N.B., Orishchenko I.V., Barbin N.M. Sravnitel'nyy analiz metodov prognoziro-vaniya na primerakh real'nykh vzryvov [Comparative analysis of techniques of forecasting VCE on example of real explosions]. Pozharovzryvobezopasnost', 2016, vol.25, no.7, pp.16-26. doi: 10.18322/PVB.2016.25.07.16-26.
  24. Dorofeev S.B. Blast effect of confined and unconfined explosions. Proc. 20-th ISSW “Shock Waves”. Ed by ed. B. Sturtevant, J. Shepherd, H. Hornung. Singapore, Scientific Publishing Co., 1996. vol.1, pp.77-86.
  25. Dorofeev S.B. A flame speed correlation for unconfined gaseous explosions. Process Safety Progress, 2007, vol.26, no.2, pp.140-149. doi: 10.1002/prs.10176.
  26. Dorofeev S.B. Evaluation of safety distances related to unconfined hydrogen explosions. International Journal of Hydrogen Energy, 2007, vol.32, no.13, pp.2118-2124. doi: 10.1016/j.ijhydene.2007.04.003.
  27. RD 03-409-01. Metodika otsenki posledstviy avariynykh vzryvov toplivno-vozdushnykh smesey [Procedure for assessing the consequences of accidental explosions of fuel and air mixtures], available at: http://www.consultant.ru.
  28. Rukovodstvo po bezopasnosti «Metodika otsenki posledstviy avariynykh vzryvov toplivno-vozdushnykh smesey». Seriya 27. Vypusk 9 [Safety Manual "Methods for assessing the consequences of accidental explosions of fuel and air mixtures." Series 27. Issue 9]. Moscow, ZAO NTTs PB, 2015, 44 p.
  29. Methods for the Calculation of Physical Effects. “Yellow Book”. Ed. by C.J.H. van den Bosch, R.A.P.M. Weterings. Hague, Gevaarlijke Stoffen, 2005, 870 p.
  30. Alexeev S.G., Barbin N.M., Avdeev S.A., Subachev S.V. Raschet parametrov vzryva gazoparovozdushnykh smesey. Svidetel'stvo RF o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM no.2016663043 [Calculation of explosion parameters of gas-air-air mixtures. Certificate of the Russian Federation on the state registration of the computer program No. 2016663043.]. Byulleten' FIPS “Programmy dlya EVM. Bazy dannykh. Topologii inte-gral'nykh mikroskhem”, 2016, no.12.

Statistics

Views

Abstract - 205

PDF (Russian) - 65

PDF (English) - 48

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2017 Alexseev S.G., Avdeev A.S., Barbin N.M.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies