6.5. Влияние испарения нефтепродуктов на их распространение по водной поверхности.

Процесс испарения нефтепродуктов при их нахождении на водной поверхности моделируется весьма сложно.

При разливе нефтепродуктов, имеющих температуру кипения при атмосферном давлении значительно выше температуры окружающей среды, испарение происходит с ее поверхности за счет диффузионного тепло- и массообмена с воздухом.

Массовая интенсивность испарения, кг/м²с определяется формулой [5]:

(6.5.2)

где М - молярная масса нефтепродукта, г/моль;

Р_S - давление насыщенных паров при данной температуре, кПа;

 - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние скорости ветра W₀ над поверхностью нефтепродукта, значения которого приведены в табл. 6.5.1.

Давление насыщенных паров нефтепродукта может быть определено с помощью уравнения Антуана:

(6.5.3)

где P_S - давление насыщенных паров, кПа; А, В, С_А - константы Антуана, значения которых приведены в справочных данных по каждому нефтепродукту;

t₀ -температура воздуха над нефтепродуктом, С.

Таблица 6.5.1.

Значения коэффициента :

Скорость воздушного потока, м/с	Значения коэффициента .
0	2.57
0.1	3.13
0.2	3.69
0.5	5.38
1.0	8.18

На рис. 6.5.1, рис. 6.5.2 приведены кривые изменения давления насыщенных паров дизельного топлива (ГОСТ 305-73) и бензина АИ-93, рассчитанные согласно уравнению Антуана [91].

Дальнейший порядок расчета изменения параметров растекающегося нефтепродукта аналогичен алгоритму, изложенному в предыдущем разделе при учете вырогания. Результаты расчетов остальных параметров, выполненных по программам ISP-F,FEY,основанных на методике Фэй, приведены на рис. 6.5.3.

Рис. 6.5.1. Давление насыщенных паров (Па) дизельного топлива при различных температурах топлива.

Анализ изменения радиуса растекания бензина с учетом его испарения (рис. 6.5.3) кривая (R) показывает, что вначале радиус пятна растет за счет превышения скорости изменения инерционных сил над скоростью испарения. Затем, примерно через 20…40 мин растекания с процесс испарения начинает превалировать, что приводит к уменьшению радиуса пятна. Через 120…130 мин испарение практически прекращается вследствие малого значения толщины пленки бензина на воде и влияния температуры воды на условия испарения. С этого момента продолжается процесс расширения пятна оставшегося бензина без испарения.

Рис. 6.5.2. Давление насыщенных паров бензина АИ-93 при различных температурах нефтепродукта.

Рис. 6.5.3. Решение примера 6.5.1. Изменение радиуса растекания бензина с учетом испарения (R), рассчитанного по программе ISP-F, и без учета испарения (R1), рассчитанного по методике Фэй (программа FEY).

Д ля сравнения на рис. 6.5.4 приведены результаты решения того же примера 6.5.1, но при разовом сбросе в воду 5 м³ бензина АИ-93.

Рис. 6.5.4. Изменение радиуса пятна распространения бензина на воде при начальном сбросе 5 м³ с учетом испарения (R) и без учета испарения (R1). Расчеты выполнены по методике Фэй (программы FEY, ISP-F).

Испарение (решение на рис. 6.5.4) закончилось через 90 мин. Рост радиуса пятна прекратился через 2 часа по признаку достижения пленкой предельной толщины, равной 0.1 мм. Скорость ветра равна 0.5 м/с, температура 20С.

6.6. Последствия аварий с выходом нефти и нефтепродуктов на твердые подстилающие поверхности.

Аварии, вследствие которых происходит истечение нефти и нефтепродуктов на грунт, бетон, асфальт, связаны с транспортировкой энергоресурсов сухопутными видами транспорта, в том числе, трубопроводного, а также с хранением нефтепродуктов в резервуарных парках морских или производственных терминалов, на складах предприятий и автомобильных заправочных станциях.

По данным Федерального горного и промышленного надзора России в 2000 г. при авариях на трубопроводном транспорте погибло 7 человек. Основными причинами аварий явились: коррозия - 18%; брак строительных и монтажных работ - 14%: внешние механические воздействия, в том числе несанкционированные врезки в целях хищения - 15%.

В отличие от предыдущего раздела, при авариях на железнодорожном, трубопроводном, автомобильном транспорте и в резервуарных парках хранения нефтепродуктов наибольшую трудность представляют решения следующих задач: расчета времени полного истечения жидкости из емкости через аварийное отверстие, расчета параметров процесса растекания нефтепродуктов по твердым подстилающим поверхностям в реальных метеоусловиях, определение массы испарившегося продукта, оценка поражающего действия факторов пожара на различные материалы и человека при возгорании растекающегося или хранящегося нефтепродукта.

Особого внимания заслуживают методы расчета изменения во времени массы и объема испаряющихся нефтепродуктов как в помещениях, так и в реальных метеоусловиях открытой атмосферы.

В общем случае, как известно из основ гидродинамики [7] время понижения уровня жидкости в сосуде произвольного профиля от значения высоты над аварийным отверстием Н₁ до значения Н₂ определяется уравнением:

(6.6.1)

где f(h) - функция изменения площади свободной поверхности резервуара с высотой;h - текущее значение высоты зеркала жидкости над центром аварийного отверстия; Q - приток жидкости в резервуар ; - коэффициент расхода или коэффициент сопротивления истечению нефтепродукта; s - площадь отверстия или пробоины, приведенная к круглому сечению.

Если внешний приток отсутствует, т.е. при Q = 0 и профиль сосуда не изменяется с высотой h, время изменения уровня жидкости от уровня H₁ до уровня H₂ определится зависимостью:

(6.6.2)

При H₂ =0, т.е. при определении времени полного истечения жидкости из резервуара (от высоты Н₁ зеркала нефтепродукта над пробоиной до середины сечения аварийного отверстия), выражение (6.6.2) принимает вид:

(6.6.3)

где Н₁ – начальное значение расстояния по вертикали от поверхности жидкости до середины сечения пробоины;

F - площадь зеркала жидкости (площадь резервуара).

Значения коэффициентов сопротивления истечению нефтепродуктов  в зависимости от кинематической вязкости жидкости при истечении через круглое (или приведенное к круговому сечению) отверстие представлены в табл. 6.6.1, [107].

Таблица 6.6.1.

Зависимость значений коэффициента расхода  от вязкости.

Кинематический коэффициент вязкости , Ст	0.01-0.1	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	2.0
Коэффициент расхода 	0.61	0.51	0.41	0.36	0.33	0.3	0.26