СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ПРИ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ СО СЖАТЫМ ГАЗОМ
METHOD TO DETECT PARAMETERS OF AIR IMPACT WAVE FROM UNSEALING OF PIPELINES WITH COMPRESSED GAS

Изобретение относится к области промышленной безопасности опасных производственных объектов и может быть использовано для определения зон, опасных для человека, и степеней возможных разрушений или повреждений зданий и сооружений воздушной ударной волной (ВУВ) при аварийной разгерметизации трубопроводов со сжатым газом.
Известен способ определения устойчивости зданий и сооружений и система для определения устойчивости зданий и сооружений (патент RU 2245531 C2, G01M 7/00, 27.01.2005), с помощью которых можно определять устойчивости зданий и сооружений при возникновении природных или/и техногенных опасностей, а также возможно осуществлять выработку комплекса мероприятий по устранению выявленных изъянов и недостатков конструкций и материалов. Известный способ позволяет определять устойчивость с заданной точностью за счет учета факторов, влияющих на определяемый параметр. Известный способ предусматривает учет экспериментальных и/или расчетных данных по уровню вибронагрузки от транспортных потоков, и/или от строительно-монтажных работ, и/или от промышленных сооружений, и/или степень агрессивности окружающей среды для строительных конструкций и данные прогноза природных или/и техногенных опасностей, направление их воздействия и уязвимые места объекта. Однако известный способ не позволяет определить степень поражения человека при воздействии ВУВ при разгерметизации оборудования со сжатым газом, например, при разгерметизации трубопровода.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании способа определения параметров ВУВ (избыточного давления и импульса во фронте) при разгерметизации трубопроводов со сжатым газом, позволяющего установить пространственное распределение параметров барического воздействия от разгерметизации трубопроводов со сжатым газом
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, - расширение функциональных возможностей, заключающихся в установлении пространственной картины распределения параметров ВУВ, образующейся при аварийной разгерметизации трубопроводов, содержащих природный газ, метан, под высоким начальным давлением, и обеспечение возможности защиты материальных ценностей и здоровья человека от воздействия ударной волны.
0
g0
0
0
Технический результат способа определения параметров ВУВ при разгерметизации трубопроводов со сжатым газом достигается за счет того, что сначала определяют атмосферное давление P и характеристики трубопровода со сжатым газом: исходное давление газа в трубопроводе P, внутренний диаметр d трубопровода, расстояние Y от места разрыва до ближайшего места завершения трубопровода. Затем определяют коэффициент эффективности ВУВ k по месту разгерметизации трубопровода,
;
TNT
определяют значение тротилового эквивалента взрыва m (кг) трубопровода в случае гильотинного разрыва из условия:
;
1/3
определяют пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва (м/кг) по соотношениям:
,
где R (м) - расстояние от места разгерметизации;
определяют избыточное давление ΔP (кПа) во фронте ВУВ:
;
определяют импульс на фронте ВУВ i (кПа·с):
;
полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ наносят на диаграмму «давление-импульс» (P-i-диаграмму) поражения людей в виде точки с координатами (ΔP(R); i(R)), анализируют положение данной точки на диаграмме «давление-импульс» относительно линий равновероятного поражения, по результатам проведенного анализа составляют заключение о степенях поражения людей, находящихся в зоне воздействия ВУВ с избыточным давлением ΔP и импульсом i во фронте ВУВ, на заданном расстоянии от места разгерметизации.
g0
0
0
<mrow><mn>1.23</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>P</mi><msub><mi>g</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2.093</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><mn>4.39</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>P</mi><msub><mi>g</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2.093</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><mn>2.51</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>P</mi><msub><mi>g</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2.093</mn></mrow></msup></mrow>
По параметрам трубопровода и окружающей среды, а именно по исходному давлению газа в трубопроводе P, внутреннему диаметру трубопровода d и атмосферному давлению P, определяют радиус круговой зоны разрушения промышленных зданий (м) для трех различных степеней их повреждения: 0,15, или 0,4 или 0,8 как:
,
или
соответственно.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена диаграмма зависимости значений импульса i от избыточного давления ΔP во фронте ВУВ, по которой можно определить степень поражения человека.
Представленная на чертеже диаграмма иллюстрирует усредненные степени поражения человека при взрывах. На приведенной диаграмме цифрами 1, 2, 3 обозначены границы областей (линии равновероятного поражения), соответствующих различным степеням поражения людей с вероятностью 99,9%. При этом линия, обозначенная цифрой 1, соответствует нижней границе области смертельной степени поражения человека, линия 2 - нижней границе области тяжелых поражений человека, линия 3 - нижней границе области, соответствующей легким поражениям человека.
Для трех различных линий равной степени поражения, представленных на чертеже, можно выделить участки, соответствующие режимам квазистатического (вертикальные асимптоты) и импульсного (горизонтальные асимптоты) приложения барической нагрузки. Степень поражения человека увеличивается с ростом давления и импульса. Построенная в (P-i) координатах диаграмма поражения человека позволяет с высокой вероятностью определить степень поражения человека без конкретизации типа источника взрыва и особенностей распространения ВУВ.
В условиях компактного расположения оборудования на площадных объектах важным является определение характеристик ВУВ в ближайшей к месту аварии зоне. Причем по расчетам избыточного давления и импульса во фронте ВУВ можно осуществить оценку устойчивости конструкций к воздействию ВУВ с полученными параметрами. Настоящее изобретение позволяет определить параметры барического скачка давления во всем диапазоне расстояний от источника взрыва при разгерметизации трубопровода.
g0
0
0
0
На первом шаге по характеристикам трубопровода, а именно исходному давлению газа в трубопроводе P и внутреннему диаметру d трубопровода, месту разгерметизации и характеристикам окружающего пространства, наличию в непосредственной близости от места разгерметизации устойчивых плоских конструкций, атмосферному давлению P, необходимо определить коэффициент эффективности ВУВ k.
0
Коэффициент k характеризует место разрыва трубопровода и может быть вычислен по полученной эмпирическим путем формуле (1):
,
где Y - расстояние от места разрыва до ближайшего места завершения трубопровода (заглушки, отвода, закрытой запорной арматуры).
g0
0
0
0
TNT
На втором шаге при известных параметрах P, P, k, d для трубопровода вычисляют значение массового тротилового эквивалента взрыва, m, (кг) по формулам (2):
,
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>g</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>g</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
с параметром
.
На третьем шаге определяют пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва (параметров ВУВ), т.е. зависимости избыточного давления ΔP (кПа) и импульса i (кПа·с) во фронте ВУВ от расстояния от места разгерметизации R (м) по соотношениям (5), (4) и (3).
По полученным значениям избыточного давления ΔP(R) и импульса i(R) во фронте ВУВ на расстоянии R от места разгерметизации трубопровода, где предполагается нахождение человека, на P-i-диаграмму поражения людей (см. чертеж) наносят точку с координатами (ΔP(R); i(R)). В зависимости от того, в какую область (1, 2 или 3) попадает указанная точка, определяют степень поражения человека на расстоянии R от места разгерметизации трубопровода. Таким образом, анализ приведенной на чертеже диаграммы позволяет сделать вывод о воздействии ВУВ с полученными параметрами на человека и определить степень его поражения.
g0
0
0
<mrow><mn>1.23</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>P</mi><msub><mi>g</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2.093</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><mn>4.39</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>P</mi><msub><mi>g</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2.093</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><mn>2.51</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>P</mi><msub><mi>g</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2.093</mn></mrow></msup></mrow>
По параметрам трубопровода и окружающей среды, а именно по значениям P, d и P, определяют радиусы круговых зон разрушения промышленных зданий (м), соответствующих трем различным степеням повреждения зданий 0,15, или 0,4 или 0,8 как
,
или
соответственно.
В качестве примера осуществления изобретения предлагается рассмотреть сценарий аварии - «Гильотинный разрыв подземного нагнетательного коллектора компрессорного цеха (КЦ) в сечении, находящемся на кратчайшем расстоянии от главного щита управления (ГЩУ) КЦ, с образованием ВУВ и пожаром».
При определении параметров не учитываем, что трубопровод находится под землей; учитываем, что в создании поражающего фактора ВУВ участвует газ, вытекающий из обоих концов трубы:
- расстояние от нагнетательного коллектора до стены ГЩУ R=26 м;
- наружный диаметр аварийного трубопровода D=1020 мм;
- толщина стенки аварийного трубопровода s=19,5 мм;
g0
- исходное давление в трубопроводе P=1,5 МПа.
Исходные параметры трубопровода и окружающей среды преобразуем в требуемые для расчетов (в части единиц измерения и необходимых промежуточных величин):
g0
0
P=7,5 МПа=7500 кПа; P=101,3 кПа;
;
0
d=1,020-2·0,0195=0,981 м.
0
Определяем вычисленный по формуле (6) коэффициент k=1.
<mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>T</mi><mi>N</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>6,5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>d</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub><mover accent="true"><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>g</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></msqrt></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><mo>=</mo><mn>6,5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>0,981</mn><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>⋅</mo><mn>74,038</mn></mrow></msqrt></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><mo>=</mo><mn>39,093</mn></mrow>
Тогда
;
;
Полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ в виде точки с координатами (11,9; 0,054) наносим на P-i диаграмму поражения людей (см. чертеж). По приведенной на чертеже P-i диаграмме получаем результат, согласно которому при воздействии ВУВ с параметрами ΔP=11,9 кПа и i=0,054 кПа·с возможно лишь легкое поражение человека.
Для определения радиусов круговых зон разрушения промышленных зданий, соответствующих определенным степеням повреждения (0,15, 0,4 или 0,8), и устойчивости зданий необходимо воспользоваться данными таблицы 1.
Таблица 1
Зависимости размеров зон разрушения зданий от параметров трубопровода со сжатым газом при его разгерметизации и выполнении условия: <maths num="9"><math display="block"><mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>g</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>≤</mo><mn>38</mn></mrow></math><img file="00000017.tif" he="15" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
.
№ п/п
Степень разрушения здания
Значение импульса, Па
Зависимость радиуса круговой зоны разрушения от параметров трубопровода**, м
1
0,15
1,2·10<sup>2</sup>
<img file="00000018.tif" he="15" wi="43" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
0,4
3·10<sup>2</sup>
<img file="00000019.tif" he="15" wi="44" img-content="undefined" img-format="tif" />
3
0,8
5·10<sup>2</sup>
<img file="00000020.tif" he="15" wi="43" img-content="undefined" img-format="tif" />
В соответствии с приведенными в таблице формулами возможно провести инженерные оценки устойчивости промышленных зданий и определить безопасные с точки зрения ударно-волновых нагрузок расстояния при адиабатических взрывах, сопровождающих аварии с разгерметизацией оборудования, содержащего сжатый газ.
g0
0
Подставляя значения рабочего давления P=7500 кПа и внутреннего диаметра трубопровода d=0,981 м в формулы зависимости радиуса круговой зоны разрушения от параметров трубопровода (см.таблицу 1, последний столбец), получим результат, согласно которому при нахождении здания от места разгерметизации трубопровода в радиусе 2,18 м степень разрушения составит 0,8; в радиусе 3,8 м - степень разрушения 0,4; в радиусе 10,7 м степень разрушения составит 0,15.
Таким образом, барические параметры, определенные для заданных точек, позволяют определить степень поражения персонала и степень разрушения зданий, находящихся в зоне воздействия ВУВ.