НОВОЕ УРАВНЕНИЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ ВЗРЫВА ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

  • Авторы: Алексеев С.Г.1,2, Авдеев А.С.1,3, Барбин Н.М.2,4
  • Учреждения:
    1. Научно-инженерный центр «Надежность и ресурс больших систем и машин» Уральского отделения Российской академии наук
    2. Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС России
    3. Судебно-экспертное учреждение федеральной противопожарной службы «Испытательная пожарная лаборатория» по Пермскому краю
    4. Уральский государственный аграрный университет
  • Выпуск: Том 16, № 3 (2017)
  • Страницы: 274-279
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/geo/article/view/1244
  • DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9923/2017.3.8
  • Цитировать

Аннотация


Проблемы оценки последствий взрывов топливовоздушных смесей и их предупреждения являются злободневными и имеют практический интерес. Эти взрывы представляют реальную опасность при переработке, транспортировке и хранении топлив на различных промышленных и гражданских объектах. Прогнозирование возможных последствий взрывов топливовоздушных смесей является основным элементом в разработке защитных мероприятий. В настоящее время различными ведомствами и организациями разработаны и утверждены разные расчётные методики. Ранее авторами была проведена верификация методов Госатомнадзора (РБ Г-05-039-96), Ростехнадзора (РД 03-409-01, ПБ 09-540-03, Методика оценки последствий аварийных взрывов топливо-воздушных смесей, Общие правила взрывобезопасности для взрывоопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств), МЧС России (ГОСТ Р 12.3.047-98, ГОСТ Р 12.3.047-2012, СП 12.13130.2009), Нидерландской организации прикладных научных исследований (TNT, ME-TNO), Дорофеева, Бейкера-Стрелоу и Бейкера-Стрелоу-Танга для прогнозирования последствий взрывов топливовоздушных смесей на примере реальных взрывов. Установлено, что режим детонации лучше всего описывает метод Дорофеева, а режим дефлаграции мультиэнергетический метод Нидерландской организации прикладных научных исследований (ME-TNO). Таким образом, создание синтез-метода, в котором сочетались бы подходы этих методик, является перспективным направлением. Из метода ME-TNO был вычленен режим детонации и заменен методикой Дорофеева. Данный прием позволил предложить новое уравнение для прогнозирования давления взрыва топливовоздушных смесей, которое описывается следующей формулой: где P 0 - атмосферное давление; Rx - приведенное расстояние (параметр Сахса); a , b , c , d , e , f , g , h - эмпирические константы, зависящие от класса взрывного превращения. В результате проведенного исследования предложено новое уравнение для расчета избыточного давления взрыва, которое более точно прогнозирует последствия взрывов топливовоздушных смесей на объектах нефтегазовой, нефтехимической и химической отраслей промышленности.


Полный текст

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.

Об авторах

Сергей Геннадьевич Алексеев

Научно-инженерный центр «Надежность и ресурс больших систем и машин» Уральского отделения Российской академии наук; Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС России

Автор, ответственный за переписку.
Email: 3608113@mail.ru
620049, Россия, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, 54а; 620062, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22

кандидат химических наук, доцент, член-корреспондент Всемирной академии наук комплексной безопасности, старший научный сотрудник

Александр Станиславович Авдеев

Научно-инженерный центр «Надежность и ресурс больших систем и машин» Уральского отделения Российской академии наук; Судебно-экспертное учреждение федеральной противопожарной службы «Испытательная пожарная лаборатория» по Пермскому краю

Email: 3608113@mail.ru
620049, Россия, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, 54а; 614990, Россия, г. Пермь, ул. Екатерининская, 53а

начальник сектора

Николай Михайлович Барбин

Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС России; Уральский государственный аграрный университет

Email: NMBarbin@mail.ru
620062, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22; 620075, Россия, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42

доктор технических наук, доцент, почетный работник науки и техники Российской Федерации, старший научный сотрудник

Список литературы

  1. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. - М.: Химия, 1991. - 432 с.
  2. Акинин Н.И., Булхов Н.Н., Гериш В.А. Статистический анализ причин аварий и травматизма на опасных производственных объектах // Пожаровзрывобезопасность. - 2010. - Т. 19, № 10. - С. 53-55.
  3. Акинин Н.И., Бабайцев И.В. Техносферная безопасность. Основы прогнозирования взрывоопасности парогазовых смесей. - Долгопрудный: Интеллект, 2016. - 248 с.
  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. - New York: 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 analysis. - 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 BLRVEs. - N.Y.: AICE, 1994. - 401 p.
  11. Методы оценки взрыво-опасности топливовоздушных смесей на примере керосина марки РТ. I. РБ Г-05-039-96 / С.Г. Алексеев, А.С. Авдеев, Н.М. Барбин, С.А. Тимашев, Е.С. Гурьев // Пожаровзрыво-безопасность. - 2010. - Т. 19. - № 5. - С. 37-47.
  12. Методы оценки взрыво-опасности топливовоздушных смесей на примере керосина марки РТ. II. РД 03-409-01 / С.Г. Алексеев, А.С. Авдеев, Н.М. Барбин, С.А. Тимашев, Е.С. Гурьев // Пожаровзрывобезопасность. - 2011. - Т. 20, № 1. - С. 21-27.
  13. Методы оценки взрывоопасности топливовоздушных смесей на примере керосина марки РТ. III. СП 12.13130.2009 / С.Г. Алексеев, А.С. Авдеев, Н.М. Барбин, С.А. Тимашев, Е.С. Гурьев // Пожаро-взрывобезопасность. - 2012. - Т. 21, № 1. - С. 33-38.
  14. Методы оценки взрывоопасности топливовоздушных смесей на примере керосина марки РТ. IV. ГОСТ Р 12.3.047-98 / С.Г. Алексеев, А.С. Авдеев, Н.М. Барбин, С.А. Тимашев, Е.С. Гурьев // Пожаровзрывобезопасность. - 2012. - Т. 21, № 6. - С. 34-37.
  15. Методы оценки взрыво-опасности топливовоздушных смесей на примере керосина марки РТ. V. ПБ 09-540-03 / С.Г. Алексеев, А.С. Авдеев, Н.М. Барбин, С.А. Тимашев, Е.С. Гурьев // Пожаровзрывобезопасность. - 2012. - Т. 21, № 8. - С. 32-35.
  16. Методы оценки взрывоопасности топливовоздушных смесей на примере керосина марки РТ. VI. TNO-методы (часть 1) / С.Г. Алексеев, А.С. Авдеев, Н.М. Барбин, С.А. Тимашев, Е.С. Гурьев // Пожаровзрывобезопасность. - 2013. - Т. 22. - № 7. - С. 22-29.
  17. Методы оценки взрывоопасности топливовоздушных смесей на примере керосина марки РТ. VII. BST-методы / С.Г. Алексеев, А.С. Авдеев, Н.М. Барбин, Е.С. Гурьев // Пожаровзрывобезопасность. - 2013. - Т. 22. - № 12. - С. 23-30.
  18. Методы оценки взрывоопасности топливо-воздушных смесей на примере керосина марки РТ. VIII. Сравнение методов Дорофеева, РД 03-409-01 и BST2 / С.Г. Алексеев, А.С. Авдеев, Н.М. Барбин, Е.С. Гурьев // Пожаровзрывобезопасность. - 2015. - Т. 24, № 3. - С. 6-12.
  19. Сравнительный анализ методик прогнозирования последствий взрывов газопаровоздушных смесей / С.Г. Алексеев, Е.С. Гурьев, А.С. Авдеев, Н.М. Барбин // Проблемы анализа риска. - 2013. - Т. 10, № 4. - С. 12-19.
  20. Алексеев С.Г., Гурьев Е.С., Барбин Н.М. Еще раз о сравнении методик прогнозирования последствий взрывов топливно-воздушных смесей // Проблемы анализа риска. - 2015. - Т. 12, № 2. - С. 56-70.
  21. Сравнительный анализ методик прогнозирования VCE на примере взрыва во Фликсборо / С.Г. Алексеев, А.С. Авдеев, Н.М. Барбин, Е.Ю. Полищук // Пожаровзрывобезопасность. - 2015. - Т. 24, № 5. - С. 24-35.
  22. Верификация методик прогнозирования последствий на примере реального взрыва изопентана / С.Г. Алексеев, Е.С. Гурьев, Н.М. Барбин, Л.О. Животинская // Техносферная безопасность. - 2015. - № 2 (7). - С. 22-23.
  23. Сравнительный анализ методов прогнозирования на примерах реальных взрывов / С.Г. Алексеев, А.С. Авдеев, В.Н. Литвинов, Н.Н. Грачева, Н.Б. Руденко, И.В. Орищенко, Н.М. Барбин // Пожаровзрывобезопасность. - 2016. - Т. 25, № 7. - С. 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” / by ed. B. Sturtevant, J. Shepherd, and H. Hornung. - Singapore: Scientific Publishing Co., 1996. - Vol. 1. - P. 77-86.
  25. Dorofeev S.B. A flame speed correlation for unconfined gaseous explosions // Process Safety Progress. - 2007. - Vol. 26, № 2. - P. 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, № 13. - P. 2118-2124. doi: 10.1016/j.ijhydene.2007.04.003.
  27. РД 03-409-01. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (утв. Постановлением Госгортехнадзора РФ от 26.06.2001 № 25) [Электронный ресурс]. - URL: КонсультантПлюс.
  28. Руководство по безопасности «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей». - М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2015. - Серия 27. Вып. 9. - 44 с.
  29. Methods for the calculation of physical effects. “Yellow book” / by ed. C.J.H. van den Bosch, R.A.P.M. Weterings. - Hague: Gevaarlijke Stoffen, 2005. - 870 p.
  30. Расчет параметров взрыва газопаро-воздушных смесей: свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016663043 (дата поступления заявки 17.10.2016, дата регистрации в госреестре 28.11.2016) / С.Г. Алексеев, Н.М. Барбин, С.А. Авдеев, С.В. Субачев // Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем: Бюллетень ФИПС. - 2016. - № 12.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 231

PDF (Russian) - 80

PDF (English) - 57

Ссылки

  • Ссылки не определены.

© Алексеев С.Г., Авдеев А.С., Барбин Н.М., 2017

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах