Бтруда2022

© ЗАО НТЦ ПБ

Наука и техника

где V0, Т0 — соответственно объем и температура

горючего газа.

На рис. 1 (здесь 1 — мольные теплоемкости во-

дорода и воздуха равны, влажность β = 0; 2 — то

же при β = 0,75) представлена экспериментальная

зависимость [8] мольной концентрации водорода в

газовоздушном облаке (экспериментальные точки

в виде треугольников), полученные при медленном

испарении водорода. Это обеспечивало поддержание

начальной температуры близкой к 22 К. Как следует

из данных рис. 1, мольная концентрация водорода в

газовоздушном облаке снижается по мере повыше-

ния его температуры и равна нулю при температуре

около 300 К (27 °С).

Рис. 2. Расчетные значения мольной концентрации

водорода Х на границе видимого облака в зависимости

от относительной влажности атмосферы β

Fig. 2. Calculated values of the molar concentration of

hydrogen X at the boundary of the visible cloud depending

on the relative humidity of the atmosphere β

Экспериментальные исследования влияния влаж-

ности при испарении водорода и определения коэф-

фициента вовлечения атмосферы в конвективную

струю водорода α при квазистационарном его испа-

рении выполнялись с использованием сосудов Дью-

ара различного внутреннего диаметра. Варьирование

скорости испарения водорода в опытах достигалось

посредством изменения вакуума в вакуумной рубаш-

ке сосуда. Конкретное значение скорости испарения

Рис. 1. Зависимость мольной концентрации водорода

определялось по разности уровней жидкости до и

после эксперимента, отнесенной ко времени между

X в водородно-воздушном облаке от температуры T

замерами уровней. Измерения концентраций водо-

Fig. 1. Dependence of the molar concentration of

рода в конвективной колонке проводились по верти-

hydrogen X in a hydrogen-air cloud on the temperature T

кальной оси симметрии на уровнях 0,46–2,9 м. Отбор

пробы осуществлялся автоматически в течение не

Влажность окружающей среды β в большей сте-

более 0,5 с через тонкие металлические трубки в ва-

пени, чем ее температура влияет на концентрацию

куумированные стеклянные колбы, расположенные

водорода на границе видимого облака, а, следова-

вне зоны смешения. Анализ проб выполнялся на

тельно, и на его пожаровзрывоопасность. Расчет-

хроматографе. В опытах регистрировались следую-

ные значения мольной концентрации водорода Х на

щие показатели: площадь поверхности испарения,

границе видимого облака в зависимости от относи-

массовая скорость испарения, температура воздуха,

тельной влажности атмосферы β при заданных зна-

относительная влажность, расстояние по оси струи S,

чениях начальной температуры жидкого водорода Т0

значение массовой концентрации водорода δ.

и температуры окружающей среды Та приведены на

Исследования показали, что коэффициент вовле-

рис. 2 (здесь 1 — Т0 = 22 К, Та = 250 К; 2 — Т0 = 22 К,

чения воздуха в конвективную колонку испаряюще-

Та = 350 К; 3 — Т0 = 120 К, Та = 250 К; 4 — Т0 = 120 К,

гося жидкого водорода α для конвективных струй с

Та = 320 К). Как видно из рис. 2, при колебаниях

положительной плавучестью составляет 0,12 с учетом

относительной влажности от 25 до 75 % мольная

реальной энтальпии и абсолютной влажности окру-

концентрация водорода на границе видимого облака

жающего воздуха 15 г/м3 (90 % влажности при 20 °С).

изменяется от 15 до 1 % и при β = 70 % составляет

Этот коэффициент совпадает с данными [10] и его

приблизительно 3–4 % об., т.е. соответствует ниж-

можно использовать при расчетах турбулентных кон-

нему концентрационному пределу распространения

вективных струй, образующихся при стационарном

пламени (НКПР) в водородно-воздушных смесях.

испарении водорода.

Наука и техника

© ЗАО НТЦ ПБ

Оценка влияния влажности на параметры ис-

плавучесть. Расчеты движения облака в зависимости

следуемой турбулентной конвективной струи сви-

от начальной температуры позволяют оценить его

детельствует о том, что темп изменения массовой

пожаровзрывоопасные характеристики по объему

концентрации водорода по оси низкотемпературной

и массе водорода: концентрация водорода в воздухе

струи зависит от влажности среды. Чем выше влаж-

находится в диапазоне взрыва (детонации) — в пре-

ность, тем более резким становится снижение массо-

делах 20–60 % об., либо пожара — 4–75 % об.

вой концентрации водорода по высоте конвективной

Расчеты показали, что при разбавлении водорода

струи. При этом происходит дополнительный «подо-

воздухом до НКПР, равного 4 % об., время разбавле-

грев» струи, основным источником которого может

ния в 3 раза больше, чем при доведении водорода до

быть только энергия, выделяющаяся при конденса-

предельной концентрации при детонации.

ции водяного пара, содержащегося в атмосфере.

После пролива жидкого водорода с массой m0 (ее

На основании экспериментальных данных и рас-

можно представить в виде объема Va 0 = V0Ta/T0, где

четов при различных абсолютных значениях влаж-

Та — температура атмосферного воздуха) происходит

ности для определения средних значений массовых

адиабатическое смешение двух газовых объемов. В

концентраций водорода δ в турбулентной холодной

первом из них V0 находится горючий газ, имеющий

струе может быть предложена эмпирическая фор-

массу m0, температуру Т0; во втором Vа — атмосфер-

мула [11]:

ный воздух с массой mа и температурой Та. В резуль-

δ = 0,15/[0,3(S/L + 1)]n,

тате смешения образуется облако газовоздушной

(2)

смеси объемом V c температурой Т и мольной кон-

центрацией горючего Х. В соответствии с уравне-

где S — расстояние на оси струи; L — видимая мак-

нием состояния для идеального газа (1) при равных

симальная полная высота подъема струи; n = 1,64/

мольных теплоемкостях газов в смеси, молекулы

[1 – 3,5(ρ

– ρ )2/3]; ρ , ρ — соответственно плотность

которых состоят из одинакового числа атомов (О

,

в

а

в а

2

водорода и атмосферы.

N2, H2), мольная концентрация горючего Х может

Из (2) при известном δ можно определить S с со-

быть представлена в виде зависимости:

ответствующей средним значениям массовой доли

водорода.

Х = (Та – Т)/(Та – Т0).

(3)

При рассмотрении водородной низкотемпера-

турной конвективной струи под воздействием ветра

При расчетах последствий аварийных проливов

и вовлечения в нее окружающего воздуха использо-

водорода одним из важных параметров, подлежа-

ваны результаты крупномасштабных экспериментов

щих определению, является максимальное значе-

[12]. Данные эксперименты заключались в проливе

ние объема облака Vх с температурой Т и мольной

5,7 м3 жидкого водорода в бассейн диаметром 9,1 м

концентрацией горючего Х в диапазоне от НКПР

в течение 24–240 с при различных скоростях ветра.

(Хн) или нижнего предела по взрыву (детонации) до

Исследования показали, что ветер с малыми ско-

верхнего концентрационного предела распростра-

ростями приводит к увеличению максимальных

нения пламени (Хв) или верхнего предела по взрыву

поперечных размеров облака независимо от уровня

(детонации). По величине Vх можно оценить пара-

концентрации в струе водорода, а с большими ско-

метры ударных волн, образующихся при горении

ростями — к их уменьшению, как бы «вытягивая»

водородно-воздушного облака. Из простых физиче-

облако, образуемое струей. Зависимости макси-

ских соображений следует, что объем Vх связан с объ-

мального поперечного размера водородно-воздуш-

емом водородно-воздушной смеси V, образующейся

ного облака от начального расхода газа и высоты

в результате адиабатического смешения холодного

подъема струи имеют схожий характер. Значитель-

водорода с атмосферным воздухом при постоянном

но сильнее с ростом расхода газа увеличиваются

давлении. В результате численного решения задачи

масса и объем смеси. Анализ результатов показал,

[12] получена зависимость Vx/Vа 0, которая позволяет

что для аварийных проливов водорода наиболее

оценить для разных значений нижнего предела моль-

опасным с точки зрения образования водородно-

ной концентрации водорода Хн величину максималь-

воздушного облака максимального объема является

ного относительного объема:

случай с нулевой влажностью и без ветра в широком

диапазоне значений начального расхода водорода

Vx/Vа 0 = 0,43{(1/Xн – (1 – Т0/Та)}.

(4)

(0,1–100 кг/с).

При мгновенном проливе водорода на неогра-

Расчетные данные зависимости максимального

ниченную поверхность образуется паровоздушное

относительного объема Vx/Vа 0 от изменения НКПР

облако, поднимающееся вверх по мере его переме-

(Хн) при варьировании начальной температуры, пред-

шивания с воздухом и нагревания.

ставленной в безразмерном виде θ = Т/Та, показаны

Одна и та же масса водорода в облаке при различ-

на рис. 3 (здесь 1 — θ = 1; 2 — θ = 0,4; 3 — θ = 0,2).

ных начальных температурах имеет разный началь-

Из рис. 3 следует, что при увеличении мольной

ный радиус и соответственно скорость подъема и

доли водорода в смеси снижается величина мак-

© ЗАО НТЦ ПБ

Наука и техника

Рис. 4. Зависимость коэффициента участия водорода

Рис. 3. Зависимость максимального относительного

во взрыве q = m*/m0 от времени t/τ0

объема Vx/Vа 0 от значений нижнего концентрационного

Fig. 4. The dependence of the hydrogen participation

coefficient in the explosion q = m*/m0 on the time t/τ0

предела распространения пламени водорода Хн

Fig. 3. Dependence of the maximum relative volume

Заключение

Vx/Vа 0 on the values of the lower concentration limit of

hydrogen flame propagation Хн

Приведены экспериментальные и численные

исследования определения размеров и времени су-

симального относительного объема. Из рис. 3 и

ществования облака с опасной с точки зрения пожа-

формулы (4) можно также установить влияние на

ровзрывоопасности концентрацией водорода (в том

Vx/Vа 0 начальной температуры θ = Т/Та. Например,

числе на границе видимого облака) и соотношения

при значении Хн = 20 % вариация начальной тем-

между температурой и концентрацией горючего га-

пературы приводит к изменению максимального

за в газовоздушном облаке; влияния температуры

объема на 20 %.

на параметры облака, его влагосодержания и под-

В случае детонации облака давление во фронте

вижности среды (воздействие ветра) на динамику

ударной волны определяется энергетическим ресур-

изменения уровня пожаровзрывоопасности водо-

сом опасной части облака, т.е. массой водорода m* в

родно-воздушного облака; выполнен анализ роли

той части облака, в которой смесь находится внутри

вовлечения атмосферы в конвективную струю во-

диапазона концентрационных пределов (учитывает-

дорода.

ся только та масса водорода m0, которая «обеспечена»

Влажность окружающей среды в большей мере,

кислородом воздуха).

чем ее температура влияет на концентрацию водо-

На рис. 4 (здесь 1 — данные численного решения

рода на границе видимого облака, а, следовательно,

работы [12]; 2 — данные [13]) показана зависимость

и на его пожаровзрывоопасность.

[12] q = m*/m

0

от безразмерного времени существо-

Вследствие образования в облаке конденсата вла-

(здесь τ = R1/2[g(T /T – μ /μ )]–1/2 —

ги и выделения тепла плавучесть облака повышается.

вания облака t/τ

0

0

0

a

o

a

Это приводит к увеличению скорости подъема и,

безразмерная масштабная величина, а в приведен-

ном выражении: R — максимальный радиус облака;

следовательно, к интенсификации процесса рас-

μ0, μa — мольные доли соответственно горючего газа

сеивания взрывопожароопасного облака. По мере

и воздуха; g — ускорение силы тяжести), которая ха-

всплытия облака легкого газа (термика), обладающе-

рактеризуется как коэффициент участия водорода во

го определенной плавучестью, происходит смешива-

взрыве (детонации). Благодаря введению масштаба τ0

ние его с воздухом, и температура смеси повышается.

вид кривой практически не изменяется при задании

В соответствии с расчетами время рассеивания об-

начальной температуры θ в широком диапазоне от

лака до пожаробезопасной концентрации водоро-

0,2 до 1. Из рис. 4 можно также определить макси-

да при наличии конденсата влаги уменьшается на

мальное значение коэффициента участия водорода

30 %, а время рассеивания до взрывобезопасной кон-

во взрыве: q = 0,52.

центрации водорода снижается примерно на 20 %.

В соответствии с [14] коэффициент участия водо-

Ослабление эффекта заключается в том, что менее

рода во взрыве, который в документе обозначается

рассеянное облако за меньшее время с момента его

как Z, для наружных установок принимается равным

образования накапливает меньше влаги. Поэтому

0,1, а для помещений — 1.

учет влаги в атмосфере при проливах водорода по-

Наука и техника

© ЗАО НТЦ ПБ

Наука и техника

© ЗАО НТЦ ПБ

Наука и техника

© ЗАО НТЦ ПБ

В.В. Семенов,

С.Г. Ивахнюк,

М.А. Галишев,

Ю.Д. Моторыгин,

д-р техн. наук, проф.

канд. техн. наук,

д

-р техн. наук, проф.

д-р техн. наук, проф.

Введение

Одним из признаков опасности объектов бурения

В соответствии с федеральным законодатель-

и добычи является образование опасных веществ —

ством ряд объектов нефтегазодобывающих произ-

выход углеводородов, содержащихся в недрах. Не

водств признаются опасными производственными

стоит забывать о направленности [1], указанной в

объектами (ОПО). К организациям и работникам,

его преамбуле — под защитой интересов личности

осуществляющим деятельность в области промыш-

и общества понимается не только предотвращение

ленной безопасности на ОПО, представляющих

аварий и их локализация, но и ликвидация и смяг-

собой объекты бурения и добычи, обустройства

чение их последствий. Важно отметить, что, в со-

месторождений для сбора, подготовки, транспор-

ответствии с приказом Ростехнадзора от 14 апреля

тировки и хранения нефти, морских объектах неф-

2022 г. № 126 «О внесении изменений в Порядок

тегазодобывающих производств, устанавливаются

проведения технического расследования причин ава-

особые требования промышленной безопасности.

рий, инцидентов и случаев утраты взрывчатых мате-

При этом, как указано в ст. 3588 федерального закона

риалов промышленного назначения, утвержденный

[1], если ОПО нефтегазодобывающего производства

приказом Федеральной службы по экологическому,

расположен на континентальном шельфе Россий-

технологическому и атомному надзору от 8 декабря

ской Федерации (РФ), во внутренних морских водах,

2020 г. № 503»1, в Порядок проведения технического

в территориальном море или прилежащей зоне РФ,

расследования причин аварий, инцидентов и случаев

на искусственном участке, созданном на водном

утраты взрывчатых материалов промышленного на-

объекте, находящемся в федеральной собственно-

сти, для такого объекта устанавливается следующий

1 URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_

(более высокий) класс опасности.

417632/ (дата обращения: 10.08.2022).

Наука и техника

© ЗАО НТЦ ПБ

© ЗАО НТЦ ПБ

Наука и техника

кювет d = 80 мкм. Для области «отпечатков пальцев»

погрешность (при вероятности 95 %) T ≈ 0,2 %, сле-

довательно, D ≤ 0,6 %.

На практике погрешность регистрации спектров

пропускания можно оценивать, рассчитывая отно-

шение двух спектров, полученных для одного и того

же образца. Отношение двух последовательно запи-

санных спектров пропускания одной и той же пробы

нефти показано на рис. 2.

Рис. 3. Спектры поглощения проб

Fig. 3. Sample absorption spectra

Рис. 2. Погрешность регистрации спектров пропуска-

ИК-спектры шести проб нефти, отобранных для

ния

исследования в Ханты-Мансийском автономном

Fig. 2. Error of registration of transmission spectra

округе. Как видно, представленные спектры содер-

жат все выше рассмотренные теоретически харак-

Выбросы вблизи 1450 см–1 связаны с малостью

теристические полосы поглощения, интенсивность

пропускания образца. Условия получения спектров

которых для разных проб различна.

аналогичны рис. 1.

Результаты сопоставления спектров между собой

Как видно, максимальная погрешность регис-

показаны на рис. 4 (здесь 1 — спектр поглощения

трации T в спектральной области 650–950 см–1 не

пробы № 1; кривые 1–2, 1–4, 1–5, 1–6, 1–7 полу-

превышает 0,5 % при стандартном отклонении от

чены путем вычитания спектров поглощения проб

среднего, равном 0,2 %. Указанные значения нахо-

соответственно № 2, 4, 5, 6, 7 из спектра поглощения

дятся в полном соответствии с характеристиками

пробы № 1) и рис. 5 (здесь 7 — спектр поглощения

спектрометра, приведенными выше, и величиной

пробы № 7; 7–6 — разность спектров поглощения

пропускания образцов в данной области. Для до-

7-й и 6-й проб (масштаб увеличен в 5 раз). Рассто-

стижения указанной точности на дифракционном

яние между метками по вертикальной оси соответ-

приборе при аналогичном спектральном разрешении

ствует изменению D на единицу. Верхняя кривая

время регистрации спектра составило бы 15–20 мин,

рис. 4 представляет спектр поглощения для пробы

что примерно в 400 раз больше. Последняя циф-

№ 1. Остальные кривые получены путем вычитания

ра наглядно иллюстрирует преимущества Фурье-

из этого спектра аналогичных спектров для других

спектрометра перед ИК-спектрометрами обычного

проб. Сравнение кривых показывает, что измерен-

типа. Большое различие во времени регистрации об-

ные спектры имеют довольно существенные разли-

условлено тем, что в дифракционном спектрометре

чия в области «отпечатков пальцев». Исключение

измерение ведется последовательно в каждом спект-

составляют пробы № 6 и 7, для которых относитель-

ральном отрезке, в то время как Фурье-спектрометр в

ная интенсивность большинства полос отличается

каждый момент времени регистрирует сигнал во всем

менее чем на 10 %.

спектральном диапазоне [13].

Тем не менее спектры поглощения указанных

Результаты исследования

проб имеют заметные отличия для полос 695 и

ИК-спектров проб сырой нефти

675 см–1, что надежно регистрируется Фурье-спек-

На рис. 3 (здесь толщина кюветы 80 мкм, раз-

трометром. Таким образом, анализ полученных

решение 4 см–1, время получения спектра 30 с,

результатов показывает, что спектры поглощения

расстояние между метками по вертикальной оси со-

исследуемых проб содержат все полосы, использу-

ответствует изменению D на единицу) представлены

емые при сопоставлении ИК-спектров проб нефти

Наука и техника

© ЗАО НТЦ ПБ

Рис. 4. Сравнение спектров поглощения проб нефти

Fig. 4. Comparison of absorption spectra of oil samples

Рис. 6. Сравнение спектров поглощения проб № 5–7

до и после процесса искусственного старения

Fig. 6. Comparison of absorption spectra of samples

№ 5–7 before and after the artificial aging process

ние в течение двух часов с одновременным обдувом

воздуха, не привела к возникновению новых или

существенной трансформации существующих полос

поглощения. Это позволяет рассчитывать на возмож-

ность идентификации источника происхождения

нефти не только для исходных проб, отобранных

непосредственно на промыслах, но также и при ис-

следовании проб, собранных в местах загрязнений.

Рис. 5. Сравнение спектров поглощения проб № 6 и 7

Исследование пробы,

экстрагированной из загрязненного

Fig. 5. Comparison of absorption spectra of samples № 6

нефтью грунта

and 7

Экстракция органических веществ, содержавших-

согласно [14], и имеют отличия, достаточные для

ся в пробе грунта, предположительно загрязненного

идентификации указанных проб по спектрам по-

нефтью (проба № 3), осуществлялась следующим

глощения при использовании Фурье-спектрометра

образом. Часть пробы грунта (около 200 г) заливалась

в качестве ИК-анализатора.

четыреххлористым углеродом (около 50 мл). Полу-

Влияние искусственного старения

ченная смесь тщательно перемешивалась и остав-

На рис. 6 (здесь штрихи присвоены спектрам,

лялась на 1 ч, после чего фильтровалась. Данный

полученным после искусственного старения) пред-

раствор подвергался выпариванию с помощью на-

ставлены спектры поглощения для проб № 5–7, из-

грева для удаления четыреххлористого углерода. По-

меренные до и после искусственного старения, а

сле частичного выпаривания сконцентрированный

также результаты их сопоставления между собой

таким образом раствор наносился на поверхность

(три кривые).

оптического окна кюветы и далее оставлялся при

Данные измерений свидетельствуют, что обработ-

комнатной температуре для дальнейшего удаления

ка проб, включающая их ультрафиолетовое облуче-

из пробы четыреххлористого углерода. Для увеличе-