Прогнозирование сценариев развития аварий на нефтехимических производствах

Ф. М. Гимранов

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СЦЕНАРИЕВ РАЗВИТИЯ АВАРИЙ НА НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Ключевые слова: авария, сценарий, взрыв, дефлаграционное горение, пожар разлития,

струйный факел, физический взрыв. failure, the scenario, explosion, deflagration burning, a pool fire, a

jet torch, physical explosion.

Разгерметизация оборудования и трубопроводов в нефтехимических производствах приводит к истечению горючих веществ, как правило, сопровождающейся пожарами и взрывами. Определены характерные условия возникновения различных последствий аварийных разгерметизаций: дефлаграци-онного горения паров и газов, вспышечного пожара, струйного факела, физического взрыва сосудов, работающих под давлением.

Depressurization of the equipment and pipelines in petrochemical manufactures results to the expiration of combustible substances. In the presence of an ignition source there are explosions and fires. There are established the conditions of occurrence of various kinds of burning and explosions: volume explosion, flashing fire, a pool fire, «a fire sphere», a jet torch, physical explosion.

Характерной особенностью нефтехимических производств является наличие в технологических системах больших объемов взрывопожароопасных продуктов и сырья, ведение технологических процессов при высоких давлениях и температурах, в ряде случаев близких к критическим. Кроме этого имеет место несовершенство технологических процессов, возможны неисправности применяемого оборудования, отказы систем автоматического управления и защиты, ошибки обслуживающего персонала и т.д. Все это создает опасность возникновения аварий, сопровождающихся пожарами и взрывами. В связи с этим одной из приоритетных проблем обеспечения промышленной безопасности становится задача прогнозирования возможных сценариев (последовательностей событий) развития аварий на нефтехимических производствах с целью заблаговременного принятия комплекса мероприятий по обеспечению готовности предприятия к локализации и ликвидации последствий возможных аварий.

Инициирующим событием аварии, как правило, является полное или частичное разрушение/разгерметизация оборудования и трубопроводов и последующий выброс опасных веществ из технологической системы. При этом под «полным» разрушением понимается выброс всего содержимого аппарата, который возможен, например, при разрыве на полное сечение подводящих или отводящих трубопроводов. Под «частичным» разрушением подразумевается образование свищей, например, во фланцевых соединениях, сварных швах, уплотнительных элементах и др.

Аварийный выброс (истечение) опасных веществ может привести к следующим последствиям: объемному взрыву парового облака в зоне наружной установки; пожару парового облака (вспышечный пожар) без образования волн избыточного давления; огневому шару; струйному факелу; пожару разлития горючих жидкостей; к взрыву или пожару в производственных помещениях; к взрыву паровоздушной смеси в объеме технологического оборудования. (В настоящей работе не рассматриваются вопросы, связанные с выбро-

сом из оборудования токсически опасных химических веществ с последующей угрозой интоксикации персонала). Основными поражающими факторами аварий являются: а) воздушная ударная волна и ее вторичные проявления (разлетающиеся осколки оборудования, завалы при обрушении конструкции сооружений и зданий); б) удар пламенем; в) высокая/низкая температура и напор истекающих из оборудования струй жидкости или пара; г) тепловое излучение продуктов горения (термическое воздействие). Ниже приведены результаты анализа статистических литературных данных, которые позволили определить условия развития аварии по выделенным выше последствиям.

Взрыв парового (газового) облака в открытом пространстве. Образование значительного парового облака возможно при наличии в оборудовании веществ, находящихся в перегретом состоянии, способных к «мгновенному испарению» при падении давления в системе в случае разгерметизации. Последующее воспламенение парового облака в открытом пространстве зависит от множества случайных факторов (например, задержка по времени воспламенения в известных авариях была более 5 минут [1]). Возникшее горение протекает в дефлаграционном режиме с широким диапазоном скоростей распространения пламени (с.р.п.). При с.р.п. от 30 м/с до 100 м/с горение носит характер вспышечного пожара практически без генерации волн избыточного давления. При с.р.п. 150 м/с и выше возникает объемный взрыв с образованием волн давления. В промежуточном диапазоне с.р.п. волна давления не превышает 10-20 кПа и значительного разрушающего воздействия на окружающие объекты (производственные здания и сооружения, технологическое оборудование и трубопроводы) не оказывает [1, 2]. Характеристики пламени вспышечного пожара близки к показателям диффузионного пламени пожара разлития [3]. Анализ показывает, что начавшийся вспышечный пожар на открытой площадке может перерасти в объемный взрыв при одновременном выполнении следующих условий:

- значительная масса горючего в паровом облаке (порог по массе энергоносителя, ниже которого взрыв («хлопок») не может вызвать существенных разрушений, определен как не менее 2-3 т. для углеводородов);

- высокая реакционная способность горючего;

- наличие препятствий на пути распространения облака, способствующих турбу-лизации паровоздушных потоков, и некоторые другие факторы.

Согласно известным данным [1, 4], взрывные превращения облаков, образованных парами углеводородов в открытом, даже сильно загроможденном пространстве технологических площадок нефтехимических производств, при наличии обычных источников зажигания (открытое пламя, электроискровой разряд и др.) могут происходить только в режиме дефлаграционного горения без перехода к режиму детонационного горения и, соответственно, без образования детонации - совокупности ударной волны и волны химической реакции горения в ней. Следовательно, для расчета последствий взрывных превращений паровых облаков не применимы математические модели, базирующиеся на детонационном горении.

Помимо выбросов перегретых сред с образованием паровых облаков может иметь место истечение неперегретых легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) с высоким значением давления насыщенных паров. Однако в [2] показано, что даже при длительном испарении ЛВЖ маловероятно образование большой массы паровых облаков, способных сгорать по механизму «взрыв парового облака».

Модель «огневого шара». Аварийные разрушения сосудов (резервуаров, аппаратов) с перегретыми жидкостями, с сжиженными углеводородными газами (СУГ) могут развиваться по модели «огневого шара» - крупномасштабного горения переобогащенного топ-

ливом парового и аэрозольного облака, которое образуется в результате бурного вскипания по всему объему и интенсивного испарения перегретой жидкости или сжиженного газа. Огневой шар сгорает в диффузионной области с.р.п., но с огромной скоростью выгорания - порядка несколько тонн топлива в секунду. Но возможность образования огневого шара весьма ограниченна и определяется следующими условиями [1, 2, 5]:

- высокий уровень перегрева (доля мгновенно испарившейся жидкости должна составлять 0,35 и выше). Необходимый уровень перегрева может достигаться условиями ведения технологического процесса или внешним нагревом в условиях возникшего пожара на соседнем оборудовании или объекте (эффект БЬЕУЕ);

- большая масса мгновенно образующегося переобогащенного топливом паро -аэрозольного облака (не менее 2 т.);

- - резкое одномоментное падение давления над поверхностью раздела фаз в сосуде, которое, как правило, наблюдается при внезапном полном раскрытии или физическом взрыве сосуда, работающего под давлением.

Пожар разлития. При разлитии ЛВЖ и горючих жидкостей (ГЖ), содержащегося в оборудовании ниже температуры кипения над поверхностью разлития в теплое время года может образоваться облако пара в концентрационных пределах распространения пламени (КПРП). Многие ЛВЖ и ГЖ имеют невысокие значения энергии зажигания и воспламеняются даже от маломощных тепловых импульсов. При достаточном количестве паров в паровоздушном облаке (например, из-за того, что воспламенение произошло с задержкой относительно момента начала разлития) и при скорости ветра, превышающем скорость распространения диффузионного пламени, пожар разлития может приобретать характер вспышечного пожара. Реальную опасность для людей и объектов в случае даже возникновения вспышечного пожара представляет только зона в пределах горящего облака. Труд-новоспламеняющиеся жидкости с низким давлением насыщенного пара при разлитии практически не образуют шлейфа паров. Такие вещества при нормальной температуре способны воспламеняться только от мощных источников зажигания, находящихся в непосредственной близости (например, от удара пламени, т.е. непосредственного воздействия пламени). Однако в случае истечения ГЖ, нагретых выше температуры воспламенения, может иметь место воспламенение от внешнего источника зажигания с возникновением пожара разлития.

Струйный факел. Истечение газов и паров из разгерметизированных аппаратов и трубопроводов в основном сопровождается образованием струйного факела. Газовые факелы могут обладать дальностью огневого воздействия до 10-15 метров и продолжительностью существования до нескольких десятков минут (до полного опорожнения системы [4]). В случае диспергирования горючих жидкостей из дефектных отверстий трубопроводов, находящихся под давлением, могут образоваться мощные горящие струи. В любом случае при факельном горении газов, паров и струй жидкости не исключается переброс пламени на соседние аппараты.

Физические взрывы оборудования из-за увеличения давления внутри него выше нормы. Основными причинами увеличения давления являются: а) возникновение спонтанных химических реакций, например, в случае повышения по разным причинам температуры и, как следствие, скорости экзотермических химических реакций; б) внешний нагрев сосуда с СУГ или ЛВЖ в условиях возникшего пожара; в) образование и воспламенение горючей среды в аппарате, которое имеет место при потере герметичности оборудования, работающего под разряжением, приводящее к проникновению кислорода воздуха и возможности возникновения локальных взрывов с разрушением сосуда. За счет исходного

эффекта расширения паров и газов при разрушении сосуда, а также за счет продуктов сгорания, если находящиеся в сосуде продукты были горючими, образуется ударная волна, способная вызвать разрушения в прилегающей к сосуду зоне. Производственные помещения, как правило, загромождены оборудованием, коммуникациями, перегородками, способствующими турбулизации газовых смесей и появлению мощных вихрей в местах контакта с препятствиями. При воспламенении горючей смеси возникает высокоскоростное дефлаграционное горение (с.р.п. в диапазоне 300-500 м/с), основным поражающим фактором которого является ударная волна. Скорости нарастания давления достигают значений, при которых сброс давления через специально предусмотренные ослабленные элементы, окна и двери уже не возможно, что приводит к разрушению здания в целом.

Прогнозирование условий возникновения различных режимов горения, исходя из взрывопожароопасных свойств горючих веществ, режимных параметров ведения технологических процессов, позволяет оценить последствия аварийных разгерметизаций оборудования. Это особенно важно при выборе методов и способов локализации и ликвидации аварийных ситуаций, при разработке деклараций промышленной безопасности, при разработке мероприятий по снижению техногенного риска эксплуатации опасных производственных объектов.

Литература

1. Маршалл, В. Основные опасности химических производств / В. Маршалл. - М.: Мир, 1989.672 с.

2. Бесчастнов, М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение / М.В. Бесчастнов. - М.: Химия, 1991. - 432 с.

3. Руководство по оценке пожарного риска для промышленных предприятий. - М.: ВНИИПО,

2006. - 93 с.

4. Сафонов, В.С. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности / В.С. Сафонов, Г.Э. Одишария, А.А. Швыряев - М.: НУМЦ Минприроды России, 1996. - 207 с.

5. ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. - М.: Изд-во Стандартов, 1998. - 86 с.

© Ф. М. Гимранов - д-р техн. наук, проф. каф. промышленной безопасности КГТУ, expert-92@mail.ru