2. Термічні впливи аварійних ситуацій на об’єкти захисту.

В основу аналізу впливу термічних уражаючих чинників на окремі об’єкти покладені методи фізико-математичного моделювання процесів розвитку аварійних ситуацій переважно в системах стисненого природного газу та системах зрідженого вуглеводневого газу.

У більшості моделей передбачається, що випромінювання енергії в оточуюче середовище відбувається із зовнішньої оболонки полум’я і його інтенсивність достатньо характеризують такі чинники, як коефіцієнт випромінювання та величина загального тепловиділення.

За умов визначеної геометрії та просторової орієнтації факела, а також відомої інтенсивності випромінювання з одиниці його поверхні, опромінення довільно розташованої точки простору розраховується за Торнтоном [ 6], як

q = E^*φγ,

де

• φ – кутовий коефіцієнт опромінення;

• γ – коефіцієнт поглинання випромінювання атмосферою;

• E^* - інтенсивність випромінювання з одиниці поверхні полум’я.

E^* = ,

де – частина загального теплового потенціалу палива, яке згоряє.

= G , де

• – площа поверхні випромінювання;

• G – масова витрата палива;

• – нижча теплота згоряння палива;

• – коефіцієнт «недопалу»;

• – коефіцієнт випромінювання в оточуючий простір.

У випадку згоряння газів з молекулярною вагою в межах 17..21 для високошвидкісних струменів величину можна знайти з рівняння:

= 0,11 + 0,21 ,

де – швидкість витоку газу, м/с.

Велику небезпеку для персоналу та оточуючого середовища являють собою пожежі на об’єктах ЗВГ.

Вони мають певні специфічні особливості, які пов’язані із можливістю горіння порохових, газових та рідинних струменів, а також з супутніми фазовими перетвореннями. Тому розрахунки найбільш важливих характеристик турбулентного факелу, що утворюється при їх горінні проводять, як правило, на підставі наближених емпіричних залежностей.

Не розглядаючи увесь перелік параметрів та характеристик процесу, зосередимо увагу лише на оцінці інтенсивності теплового впливу полум’я ЗВГ на «об’єкти захисту».

Так за даними [14 ] теплове випромінювання факела полум’я при горінні компактного вертикального струменя ЗВГ інтенсивність теплового потоку на рівні землі (q, Вт/м²) можна знайти з формули:

q = 3910³ , де

• – витрата ЗВГ, кг/с;

• – відстань від полум’я до поверхні опромінення, м.

Дослідження загазованості резервуарних парів нафтопроводу «Дружба», виконані О. М. Волковим [14], дали можливість встановити максимальні розміри вибухонебезпечних зон, які відповідають ізометричному та інверсійному станам атмосфери. Ним запропонована формула для розрахунку довжини вибухонебезпечної зони (l, n).

= 10 , де

• – початкова витрата пароповітряної суміші із джерела витоку;

• – початкова концентрація парів у суміші;

• – коефіцієнт надійності, який дорівнює 1,5;

• – витрата суміші у струмені за межами джерела (поправка на початкове розбавлення);

• – нижня концентраційна межа поширення полум’я.

Створення зон загазованості при витоку вуглеводневих газів, густина яких більша густини повітря, суттєво відрізняється механізмом утворення. Вона являє собою хмару, що стелиться по землі, з товщиною, як правило, у декілька метрів і довжиною, яка може досягати декілька сотен метрів.

Характер розсіювання таких хмар головним чином залежить від потужності джерела викиду G та швидкості вітру V_в (за напрямом дії).

Експериментальні дослідження П.С. Попова та В.В.Грішина [15] дозволили вивести залежність довжини зон розсіювання парів скраплених вуглеводневих газів (ЗВГ) наступного виду:

= 25( ,

де

• G – об’ємна витрата парів ЗВГ;

• – швидкість вітру.

Відносна помилка розрахунку не перевищувала 15% від даних експерименту.

Серед інших в нафтогазової галузі з огляду на перспективу їх розвитку та застосування, заслуговують на увагу термінали з перевалювання ЗВГ, які відносяться до ОПН 1го класу.

У випадку аварій, що пов’язані з розгерметизацією технологічного устаткування або руйнуванням резервуарів найімовірнішими є такі небезпечні для людей та навколишнього середовища сценарії:

• вибух хмари парів ЗВГ;

• пожежа розлиття ЗВГ;

• струмінна пожежа ЗВГ.

Експериментальні дослідження, які проводилися у багатьох країнах, показали, що основним уражальним фактором для людей при аваріях на об’єктах ЗВГ є термічні впливи. Як один з найбільш небезпечних сценаріїв розвитку аварійної ситуації на об’єктах з ЗВГ слід окремо розглянути можливість виникнення вогневих куль типу «BLEVE». Їх утворення пов’язується з процесом закипання вуглеводневих рідин в посудинах у разі раптового витоку їх з посудин високого тиску та наступним утворенням аерозольної хмари, здатної до швидкого згоряння з утворенням ударної хвилі.

На основі обробки даних промислових аварій, що відбулися в США та Великобританії в [9] отримані наступні залежності для розрахунку діаметра (D_FB, м) та часу існування (τ, с) вогневих куль:

D_FB = 55М^0,375 та

τ = 3,8 ,

де м – загальна теплова потужність згоряння вогневої кулі, тнр.

Тиск на фронті горіння (Р_FB) можна знайти з виразу:

Р_FB = ,

де – теплота згоряння газів (45 – 48 МДж/кг).

Інтенсивність випромінювання тепла з одиниці поверхні кулі (середня потужність випромінювання, ):

= ,

де

– доля енергії теплового випромінювання в загальному тепловиділенні (може бути вирахувана за формулою  = 0,27 Р^0,3r, де Р – тиск парів, МПа).

Потік тепла, що падає на одиницю горизонтальної поверхні від вогневої кулі знаходимо як:

І_і = φν,

де

φ – коефіцієнт опромінення;

ν – коефіцієнт послаблення випромінювання – за рахунок наявності в повітрі парів води можна вирахувати за формулою ν = 1 – 0,12lgS, де S – відстань від зовнішньої поверхні вогневої кулі до розрахункової точки (м).

Для оцінки масштабів зони ураження при прямому вогневому впливі полум’я (L, м) на технологічне обладнання за умов спокійної атмосфери часто користуються формулою Американського нафтового інституту:

L = 1,34Q^0,49; Q ≤ 10⁴ (МВт).

Для випадку горизонтального розповсюдження полум’я величина L може бути завищеною на 15 – 20% (метан) і 25 – 30% (пропан).

За даними ВНИИГАЗ теплова дія факела на поверхні ґрунту практично перестає бути відчутною на відстані приблизно 80 м від свердловини навіть за умов попутного напрямку вітру в сторону контрольної точки (V_в = 10 м/с, діаметр джерела витоку газу – 0,1 м, витрата газу – 22,13 кг/с).

Статистичні дані свідчать, що у 50 – 55% випадків руйнування газопроводів супроводжується виникненням пожежі та утворенням відносно слабкої хвилі надлишкового тиску (15 – 20 МПа) навколо місця розриву труби.

Натурні дослідження фірми «Брітіш Газ» [9] дають можливість прогнозувати розміри імовірних зон термічного ураження людей при пожежах на газопроводах в залежності від робочого тиску та їх діаметрів.

На рис 4.1 за даними фірми «Брітіш Газ» відображений вплив технологічних параметрів газопроводу на розміри термічного ураження. «Критична» відстань (L_кр, м) являє собою радіус кола, на границі якого питомий тепловий потік на поверхні ґрунту складає 32 кВт/м², що відповідає величині нижньої границі (ураження людей – 1%).

Тиск у трубопроводі, МПа

Рисунок 4.1 Вплив технологічних параметрів газопроводів на розміри термічного впаження.

Імовірність смертельного ураження при термічному впливі на людину визначається за Н.Ейзенбергом за допомогою пробіт - функції:

P_r = -14,5 + 2,56 ln(q^4/3  τ  10^-4),

де,

• q – інтенсивність теплового опромінення (Дж/м²);

• τ – тривалість опромінення, с.

Так, при величині індексу дози опромінення (q^4/3  τ) 110⁷ відносна імовірність ураження (Р_ур) складає 0,01, або 1%.

Виникнення больового синдрому людини пов’язується з температурою шкіряного покрову більше 45 . Відомо також, що організм людини важко витримує тривалий вплив теплового опромінення інтенсивністю 0,8...1,2 кВт/м² [5].

За СН245-63 гранично допустима інтенсивність теплового опромінення людини становить 0,7 кВт/м².

За даними Беттнера час досягнення «порога болю» людини (τ; с) пов'язаний з інтенсивністю теплового впливу q (кВт/м²) залежністю:

τ = ( .

Тобто, час досягнення больового синдрому людини за умов гранично допустимого теплового опромінення становить приблизно три хвилини. Цей час можна вважати достатнім для прийняття людиною адекватних рішень і дій.

Максимальна величина допустимого теплового опромінення працівників від відкритих джерел на робочих місцях не повинна перевищувати 0,14 кВт/м² за умов опромінення не більше 25% поверхні тіла, та використання засобів індивідуального захисту очей та обличчя [9 ].

До речі, за федеральним стандартом США для випадку із зрідженим природнім газом допускається короткотривалий тепловий вплив на людину потужністю 5 кВт/м², наслідком дії якого можливе утворення опіків II^го ступеню через 40 секунд від початку опромінення.