3. 3. Критеріальні засади уражальних чинників аварійних ситуацій на об’єктах підвищеної небезпеки.

Серед типових аварій техногенного походження в нафтогазовій промисловості слід виділити випадки вибухів, пожеж, аварій з викидами та витоками шкідливих речовин, раптове руйнування об’єктів, споруд, обладнання тощо. Найбільш дієвими фізичними та фізіологічними чинниками ураження людини та оточуючого середовища є баричні, термічні, механічні, а також інгаляційні впливи на людину переважно газоподібних токсичних речовин. Ідентифікація потенційних небезпек перелічених уражальних чинників разом з прогнозуванням динаміки аварійних процесів складають предмет аналізу ризиків їх проявів та оцінки інтенсивності впливу на «об’єкти захисту». Це, власне, і є підґрунтям для розробки передпроектних матеріалів: декларації безпеки та ПЛАС об’єктів підвищеної небезпеки. Очевидно, що імовірність проявів та інтенсивність аналізованих впливів може бути різною, що і викликає наслідки відповідної тяжкості. У зв’язку з цим для оцінки масштабів (величини) і їх імовірності (Р_ур, % або в долях одиниці) часто застосовують функцію Гауса (функцію помилок) у вигляді

Р_ур = f (P_r) = ,

де верхньою границею інтегральної функції є, так звана, Пробіт-функція (P_r). Вона відображає зв'язок імовірності ураження з отриманою дозою впливу (кількістю речовини, що потрапила до організму людини, інтенсивністю термічної радіації або імпульсу тиску). Пробіт-функція вираховується з допомогою наступного рівняння:

P_r = a + b ,

де, a і b – емпіричні коефіцієнти для кожної речовини чи процесу, які характеризують специфіку та міру їх небезпеки; S – безрозмірна функція дози негативного впливу, що отримана «об’єктом захисту».

В практиці дослідження зустрічається також інтегральна функція f (P_r -5) у вигляді:

Р_ур = f (P_r -5) = ,

з математичним очікуванням 5 і середньоквадратичним відхиленням 1.

Обмежений обсяг посібника не дозволяє детально зупинитися на розгляді усього різноманіття моделей та методів аналізу, умов виникнення і розвитку можливих аварій, які можуть статися на промислових об’єктах галузі. Тому для більш детального ознайомлення з цими деталями ми рекомендуємо звертатися до відповідних літературних джерел [5,6,7 ] та інші.

Наша увага в подальшому буде зосереджена на аналізі природних засад виникнення та дії уражальних чинників, які супроводжують аварій на галузевих об’єктах підвищеної небезпеки.

1. Баричні впливи, їх значення та методи оцінки.

Баричні впливи на людину та навколишнє середовище звичайно пов’язуються з ефектом вибуху.

В залежності від природи та походження виділеної енергії вибухи поділяють на: хімічні (ХВ), фізичні (ФВ) та ядерні (ЯВ). Для ХВ характерним є дуже швидке хімічні перетворення речовини, яке супроводжується виділенням великої кількості теплової енергії, що викликає різке збільшення тиску та утворення в навколишньому середовищі сильної ударної хвилі (УХ). Супутньою ознакою ХВ є також утворення газоподібних продуктів реакції хімічного перетворення речовини (при ХВ горіння відбувається на фронті ударної хвилі). До ХВ відносяться вибухи газо-паро-пилоповітрянних сумішей при їх загорянні, а також вибухи вибухових речовин.

На відміну від ХВ, фізичні вибухи відбуваються без зміни хімічного складу речовини. В процесі ФВ відбуваються тільки зміни фізичних властивостей речовини (вибухи посудин та систем під внутрішнім тиском, виверження вулкану тощо).

Ударна хвиля, яка утворюється за рахунок ефекту розширення газу при розриві або раптовій розгерметизації посудини високого тиску (ФВ), чи у зв’язку з розширенням продуктів згоряння (ХВ), здатна призвести до руйнівних наслідків в прилеглій зоні, викликати пожежу тощо. Основними уражаючими чинниками УХ є надлишковий тиск, імпульс фази стиснення (І_ф) та час дії ударної хвилі (t_у). Вона здатна уражати незахищених людей в наслідок прямої дії або опосередкованого впливу (уламки конструкцій, предметів тощо). При прямій дії УХ причиною ураження людини є надлишковий тиск на її фронті (ΔР_ф). В залежності від величини надлишкового тиску (ΔР_ф) розрізняють чотири ступеня ураження незахищених людей: легке, ΔР_ф = 20.... 40 кПа; середнє, ΔР_ф = 40.... 60 кПа; тяжке, ΔР_ф = 60.... 100 кПа; надзвичайно тяжке, ΔРф = 100 кПа.

Наслідками легкого ураження людини УХ прямої дії можуть бути: легка загальна контузія організму, тимчасові ушкодження слуху, вивихи кінцівок тощо. Руйнування будівель, споруд, конструкцій, обладнання також поділяють на відповідні ступені: повне, сильне, середнє та слабке. При слабких руйнуваннях будівель є малоймовірною загибель людей, хоча поранення та травми можливі (найчастіше уламками віконного скла). Ступінь руйнування будівель, споруд, обладнання під впливом УХ визначається переважно величиною надлишкового тиску ΔР_ф.

В таблиці 4.1 наведені дані залежності ступеня руйнування характерних об’єктів галузі від величини надлишкового тиску ΔР_ф на фронті ударної хвилі.

Таблиця 4.1 Ступінь руйнування об’єктів при різних ΔР_ф (кПа).

№	Об’єкт, елементи об’єкта.	Руйнування
		слабке	середнє	сильне	повне
1.	Наземні металеві резервуари та ємкості.	30...40	40...70	70...90	˃90
2.	Котельні в цегляних будівлях.	7...13	13...25	25...35	35...40
3.	Металеві вежу суцільної конструкції.	20...30	30...50	50...70	˃70
4.	Трансформатори підстанції	30...40	40...60	60...70	70...80
5.	Підземні стальні трубопроводи Ду˃350км	200...350	350...600	600...1000	˃1000
6.	Трубопроводи наземні	20	50	130	-
7.	Рухомий залізничний транспорт	30...40	40...80	80...100	100...200
8.	Землерийна техніка	50...110	110...170	170...250	-
9.	Цегляні виробничо-побутові будівлі із залізобетонним перекриттям.	10...20	20...35	35...45	45...60
10.	Одноповерхові будівлі з стіновим заповненням листовим металом.	7...10	10...15	15...25	25...30
11.	Віконні пройоми будівель звичайні.	0,5...1	1...1,5	1,5...3	-

При внутрішніх вибухах у будинках, травми людей за ступенем їх важкості поділяють га три групи:

• украй важкі, що призводять до загибелі людей;

• важкі (втрата працездатності з наслідком у вигляді інвалідності 1ої та 2ої груп);

• середньої важкості (тимчасова втрата працездатності).

Слабкий ступінь руйнування будівель при внутрішніх вибухах за [8 ] пов’язується із дією надлишкового тиску ΔР_слаб = 1...3 кПа.

Як уже відмічалося, ключовим моментом в аналізі ризику є співставлення інтенсивності (дози) можливого впливу чинника небезпеки на «об’єкт захисту» з прийнятним (допустимим) для даного об’єкта рівнем цього впливу. Тобто, для аналізів наслідків вибуху, потрібно знати величину надлишкового тиску в епіцентрі та володіти методикою розрахунку дисипації (розсіювання) енергії УХ при її розповсюдженні в просторі.

Енергія стисненого або скрапленого газу при раптовому руйнуванні посудини під тиском (в тому числі і газопроводу) частково реалізується у вигляді надлишкового тиску УХ.

При наявності відповідних умов можливе загоряння газів чи парів з виділенням енергії, яка утворює вторинну хвилю стиску. Остання завжди зміщена в часі відносно первинної хвилі стиску. Тому енергетичний потенціал фізичного та хімічного вибуху слід розглядати відокремлено.

З цією метою розглянемо деякі методи розрахунку наслідків окремих видів найбільш небезпечних аварійних ситуацій у зв’язку з вибухами та пожежами на деяких типових об’єктах нафтогазової галузі.

Фізичний вибух на об’єктах нафтогазової галузі

Виникнення аварійних розривів на лінійній частині МГП та інших елементах газотранспортної системи (КС, ГРС та інш.) може супроводжуватись наступними фізичними ефектами:

• утворенням хвиль стиснення у зв’язку з розширенням в атмосфері газу, що викидається із аварійної ділянки трубопроводу, або обладнання, а також вторинної хвилі стиснення, яка виникає у випадку займання газопровідної суміші і супроводжується розширенням продуктів згоряння;

• утворенням фрагментів аварійного обладнання та їх переміщенням;

• проявом термічних впливів пожежі на оточуюче середовище.

В момент руйнування ділянки газопроводу (обладнання, об’єкта) енергія стисненого газу витрачається на його розширення (ФВ). У випадку його займання, яке може мати місце у разі утворення газоповітряної суміші певної концентрації та наявності імпульсу займання з достатнім запасом теплової енергії, виникає вторинна УХ (ХВ). Для розрахунків характеристик первинної сферичної УХ рекомендується [ 8 ] використовувати наступні залежності:

ΔР_ф = + + , при Ř ≥ 0,25, (МПа);

І_ф = 0,4 , (кПа с);

τ = 1,5 10^-3 ,

Ř = .

В формулах ΔР_ф (МПа), (м), τ – період додатної фази стиснення, (с), М_тнт – маса (кг) тротилового еквівалента. Її можна отримати для напівсферичної хвилі із залежності:

М_нтн = η,

де

• М_г – маса стисненого газу,кг ;

• А_г – робота розширення одиниці об’єму газу (Дж/кг);

• – теплота згоряння тротилу (4,24 10⁶ );

• η – поправочний коефіцієнт, який залежить від щільності грунту (0,65...0,8).

Приймаючи, що процес розширення газу при розриві газопроводу є адіабатичним, можна визначити величину роботи із формули:

А_г = - ,

де

• к = – показник адіабати;

• Р₁ та Р₂ – тиски на момент початкового та кінцевого стану;

• – густина газу, що відповідає початковому стану;

• ; – питома теплоємкість при постійному тиску та об’ємі.

За даними [9] УХ, що утворюється при руйнуванні газопроводу не створює прямої загрози для життя людини, якщо вона знаходиться на відстані 30м від епіцентру вибуху. УХ також не здатна при цьому здійснити будь-які ушкодження будівель і споруд, які розташовані на відстанях, що передбачені нормативними документами. Так, для газопроводу з Д_у = 1420 км при Р_роб = 7,5 МПа на відстані 50м при вибуху ΔР_ф може досягати лише 27,6 кПа. Також, встановлено що імовірність механічного ушкодження ударною хвилею різноманітних «об’єктів захисту» при вибухах газопроводу значно нижче ймовірностей впливу термічного та інших чинників.

Під дією УХ можуть мати місце випадки втрати цілісності споруд, обладнання тощо. Тобто вони можуть бути зміщенні відповідно первинного положення , відкинуті або перекинуті з відповідними наслідками для їх стану та ефектами для оточуючого середовища.

Тому оцінка стійкості відповідних споруд, обладнання та устаткування за умов впливу швидкісного напору є дуже важливою і широко використовується у інженерній практиці [10,11 ].

Для об’єктів та споруд, що характеризуються швидким обтіканням УХ (димові труби, опори, вежі, антени, трансформаторі тощо) найбільшу небезпеку, з точки зору втрати цілісності, являє швидкісний напор повітря, яке рухається за фронтом УХ. Величину тиску швидкісного напору (ΔР_шв, кПа) можна визначити за формулою:

ΔР_шв = 2,5 .

Для визначення імовірності летального наслідку у разі прямої дії на людину УХ пропонується [9] пробіт - функція у наступному виді:

P_r = -0,244 ,

а у разі повного руйнування будівлі при вибуху газу –

P_r = 0,22 ,

де, І_ф – імпульс фази стиснення, Па ⋅ с.

Хімічний вибух

Значна частка аварійних ситуацій на провідних об’єктах галузі пов’язується із займанням газо-паро-повітряних сумішей (ХВ). Як відомо займання горючих газів та парів можливе за умов утворення концентрації їх в суміші з повітрям в межах нижньої та верхньої границь поширення полум’я (вибуховості). Такі умови можуть виникати як наслідок ФВ на об’єкті, що містить гази чи пари вуглеводневого складу, або у приміщеннях виробничого чи іншого призначення при накопиченні в них достатньої маси легкозаймистих речовин. Режим горіння газу чи парів вуглеводневого складу може протікати за різними сценаріями, які відрізняються часом затримки займання. Переважно розглядаються випадки «раннього» та «пізнього» займання.

У першому випадку, займання та розширення продуктів згоряння відбувається в умовно симетричному просторі (полусфері) за умови, що уся маса горючого матеріалу рівномірно змішана з повітрям до стехіометричної концентрації та займання газоповітряної суміші відбувається у центрі цієї маси. При цьому режим горіння буде залежити від розмірів детонаційної гратки та фактора турбулізації газоповітряної суміші, а отже від швидкості руху фронту полум’я.

У випадку «пізнього займання» воно відбувається в цілком сформованій хмарі газоповітряної суміші або в незалежних настильних струменях газу з достатньо високим ступенем турбулентності та неоднорідності структури. Дослідженнями встановлено, що горіння такої хмари відбувається зі швидкістю у рази меншою, ніж при «раннім» запалюванні і протікає безладно по об’єму (окремими зонами і неодночасно). Період затримки загоряння газу може досягати декілька десятків секунд. Величини створюваного надлишкового тиску при цім виявляються незначними (˂ 0,2 кПа) і їх впливом на об’єкти можна нехтувати.

За умов аварійної ситуації на ГП вибухове перетворення ГПС зазвичай протікає в режимі дефлаграції з мінімальною швидкістю фронта полум’я, (W_фр, м/с) яку можна визначити за формулою:

= 26

де

• = + Δτ₃, маса газу присутня у вибуху, кг;

• – критична витрата газу (кг/с) у місці розриву ТП;

• Δτ₃ – час затримки запалення (с), що відповідає періоду позитивної фази стиснення при ФВ.

При розміщенні ГП серед загромадженого простору замість величини 26 у наведеній формулі слід використовувати величину 43.

Надлишковий тиск Δ на фронті вибуху знаходиться як добуток безрозмірного тиску на величину атмосферного тиску ( = 101,3 кПа):

= ( ⋅ ( ) ⋅ ( ,

де

• – швидкість звуку у повітрі (340 м/с);

• – ступінь розширення продуктів згоряння (для газових сумішей  = 7);

• - безрозмірні відстань від центру вибуху до розрахункової точки R (м).

= , де

= 2 М_екв х g_r , а

g_r – теплота згоряння горючого матеріалу (для метану 50,16 МДж/кг).

Викладена методика розрахунку можу застосовуватись за умов, що  ˃ R_кр = 0,34. За інших умов замість потрібно підставляти величину R_кр.

В [10 ] пропонується дещо спрощена методика оцінки впливу вторинних уражаючих факторів вибуху на різноманітні «об’єкти захисту», яка також може бути використана для розв’язання окремих задач інженерного спрямування.

За умов наземного вибуху газоповітряної суміші за [11] виділяють три колові зони: I – зону детонаційної хвилі; II – зону дії продуктів вибуху; III – зону повітряної УХ. Радіус зони І (r_I, м) наближено можна визначити за формулою:

r_I = 17,5 ,

де маса вуглеводневого газу, Т. Надлишковий тиск у цій зоні можна вважати постійним: ΔР_І = 1700 кПа.

Надлишковий тиск у зоні ІІ (ΔР_ІІ) міняється від 1350 кПа до 300 кПа. Його можна визначити за формулою:

ΔР_ІІ = 1300 + 50,

де r – відстань від епіцентру вибуху до контрольної точки, м. В зоні ІІІ діє УХ, що розповсюджується по поверхні землі. Надлишковий тиск в зоні ІІІ визначається в залежності від величини параметра

Ψ = 0,24 .

Для значень Ψ ≤ 2 - Δ = , кПа;

а при Ψ ˃ 2 – Δ = , кПа.

Надлишковий тиск вибуху (ΔР_І) для сумішей займистих газів та парів, які знаходяться в приміщеннях або в іншого виду просторових ізольованих об’єктах, визначають за формулою:

ΔР =  ,

де

• m – маса газу чи парів, кг;

• – теплота згоряння, Дж/кг;

• – початковий тиск, можна приймати = 101 кПа;

• – коефіцієнт участі горючого газу у вибуху, для горючих газів  0,5;

• – вільний об’єм приміщення, м³;

• – густина повітря до вибуху, кг/м³;

• – теплоємність повітря (можна прийняти  = 1,0110³  ;

• – початкова температура, ;

• – коефіцієнт, що враховує негерметичність перміщення та неадіабатичність процесу горіння, = 3. [12 ].

Розв’язання багатьох задач, пов’язаних із розсіюванням природного газу при викидах його в атмосферу, а також прогнозування вибухопожежної небезпеки, неможливе без знання його витрат (потужності викиду).

Початкова масова витрата газу (М_п, кг/с) може бути визначена за формулою:

=  ,

де

• – тиск газу в ГП до ушкодження, Пк;

• – площа поперечного перетину ушкодженої частини ГП, м²;

• – коефіцієнт стисливості газу при Р_кр та Т_кр;

• – початкова температура в ГП, ;

• – газова стала, .

У разі витоку газу через отвір в посудині високого тиску масову витрату газу знаходять з рівняння:

М = μfB , В = ,

де

• μ – коефіцієнт динамічної в’язкості газу;

• f – площа поперечного перетину отвору, м²;

• Р – тиск в посудині перед отвором, Па;

• – температура газу, .

Математичне моделювання динаміки процесів, що супроводжують аварії на продуктопроводах та інших ємностях з ЗВГ пов'язане із значними складнощами, що виникають в наслідок багатоваріантного розвитку подій, викликаних різноманіттям видів ушкоджень, нестабільністю термодинамічних та гідродинамічних процесів, разових змін тощо. Тому розрахунки інтенсивності витоку типових ЗВГ (пропан-бутан) переважно виконують за програмами, які побудовані на базі багато-чисельних експериментальних даних (переважно закордонних). Так масова витрата (М, кг/с) ЗВГ при аварійному витоку з трубопровода може бути визначена з формули:

M = ,

де

• F – площа перетину труби в місці витоку (розриву), м²;

• ρ₊ - густина рідини, кг/м³;

• L і d₀ – довжина та діаметр трубопроводу, м;

• p^* - тиск насичення (Па) при температурі навколишнього середовища у разі витоку двохфазної рідини під тиском насичених парів із відключеного кінця ділянки трубопроводу. При цьому: n₁ = 0,4 а n₂ = 0,23;

• p_a – абсолютний тиск у ємності (Па), з якої здійснюється виток через трубопровід великої протяжності. У цьому випадку: n₁ = 2 а n₂ = 0,3.

З метою оцінки ефектів фізичного та хімічного вибухів ("раннє запалювання") в [9] були проведені розрахунки ΔP_фв за умов руйнування газопроводу (Д_у = 1400 км, P_p = 7,4 МПа), які наводяться в таблиці 4.2. Для порівняння отриманих результатів в таблиці 4.3 показані нормативні значення розмірів охоронних зон газотранспортних об'єктів.

Таблиця 4.2 Показники фізичного та хімічного вибуху на газопроводі Д_у = 1400км,

Р_р = 7,4 МПа.

Відстань від місця аварії, м	Надлишковий тиск, ΔPфв , кПа
	фізичний вибух	хімічний вибух
25	43,182	6,263
50	14,584	5,599
100	5,957	3,512
150	3,716	2,499
200	2,697	1,934
250	2,116	1,576
300	1,744	1,329

Таблиця 4.3 Охоронні зони газотранспортних об’єктів (R₀₃)

Показник R03	Умовний діаметр МГ 1 класу, мм
	До 300 включно	Від 301 до 600	Від 601 до 800	Від 801 до 1000	Від 1001 до 1200	Від 1201 до 1400
Ширина охоронної зони із двох сторін від осі МГ, м.	100	150	250	250	300	350
Розмір охоронної зони для КС, (від огорожі), м	500	500	700	700	700	700
Розмір охоронної зони для ГРС (від огорожі), м	150	175	200	250	300	350
Розмір охоронної зони для АГНКС із Pp 20 МПа (від огорожі), м	100 (для всіх типів АГНКС)

Підсумовуючи викладене можна зробити наступні висновки:

1. При обґрунтуванні імовірності баричного впливу на різні «об’єкти захисту» при аварійних розривах обладнання та систем, які знаходяться під тиском стисненого газу і які не мають просторових обмежень (зовнішні установки) рекомендується враховувати тільки первинний ефект вибуху;

2. При ФВ на газопроводі навіть найбільшого діаметра не досягається поріг ΔP_фв, з яким пов’язується безумовно загибель людини (100 кПа) і енергії такого вибуху недостатньо для яких-небудь суттєвих ушкоджень споруд, будинків тощо, якщо вони знаходяться за межами нормативних розривів;

3. Розрахунок фізичного вибуху є доцільним за умов постійної присутності людей або знаходження будинків чи споруд у зоні ризику, в межах охоронних зон об’єктів.

4. Підриви згоряння парогазоповітрянних сумішей у замкнутому просторі виробничих приміщень категорії А за [9] (КС, НС, ГРС, АГНКС та інш. ) є найголовнішою небезпекою для персоналу, загрозою втрати стійкості будівель та можливістю каскадного розвитку аварії з виходом факторів ураження на сусідні виробничі ділянки.

5. При аналізі ризику ушкодження професійного персоналу баричними чинниками вибуху можна уважати прийнятними величини ΔP_ф ≤ 5 кПа при прямій дії УХ [7] та ΔP_ф ≤ 1 кПа у разі вторинного прояву УХ, що відповідає слабкому ступеню руйнування будівель чи споруд.

100 кПа можна вважати нижньою границею безумовної загибелі людини .