image
energas.ru

Газовая промышленность № 2 2017

Охрана труда и промышленной безопастности

01.02.2017 11:00 НОВЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОРАЖАЮЩИХ ФАКТОРОВ АВАРИЙ БЕЗ ВОЗГОРАНИЯ ГАЗА НА ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТАХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
Важным аспектом анализа риска аварий на объектах газотранспортной системы является определение зон поражения реципиентов осколками, избыточным давлением первичной и вторичной волн, напорным воздействием струи и тепловым излучением пожара. Из перечисленных поражающих факторов особая роль в силу своей специфики (неотвратимость и быстротечность) отводится осколочному и газодинамическому (ударно-волновому от первичной волны и струйному от высокоскоростной струи газа) воздействию. Указанные воздействия, которые реализуются на начальной стадии любой аварии, выступают в качестве основных поражающих факторов при авариях без возгорания. В статье отражены основные положения вновь разработанных методологических подходов к оценке вероятности осколочного и газодинамического поражения человека и объектов инфраструктуры при авариях на опасных производственных объектах магистрального транспорта газа. Представлены аналитические расчетные соотношения для определения размеров зон поражения. Показано, что при разгерметизации трубопроводов размеры зон смертельного поражения человека от импульсного воздействия струи существенно больше размера таковых от ударно-волнового воздействия.
Ключевые слова: воздействие поражающих факторов, авария без возгорания газа, магистральный газопровод.
Открыть PDF


Как правило, при проведении анализа риска аварий на опасных производственных объектах (ОПО) магистральных газопроводов (МГ) основное внимание аналитики уделяют рассмотрению аварийных сценариев с возгоранием истекающего газа как наиболее опасных по своим негативным последствиям для людей, имущественных объектов и компонентов природной среды. Этим объясняется и тот трудно оспоримый факт, что в действующих нормативно-методических документах по анализу техногенного риска методическое обеспечение расчетного моделирования аварий на ОПО МГ сфокусировано по большей части именно на «пожарных» сценариях, а степень полноты охвата, проработанности и верифицированности методов расчетов иных, «непожарных», вариантов реализации аварий значительно меньше. Между тем немалую долю аварий на ОПО МГ
составляют аварии, развиваю­щиеся по сценариям без возгорания газа. Указанные аварии характеризуются такими поражающими факторами (ПФ), как разлет осколков разрушенных труб, технологического оборудования, фрагментов грунта, напорное воздействие высокоскоростной струи истекающего газа и ударная воздушная волна, которые также могут приводить к немалым разрушительным последствиям как на территории аварийного ОПО, так и за его пределами.

1_1_39.jpg

Рис. 1. Условная вероятность и ее составные части для поражения человека осколком массой 500 кг и начальной скоростью 50 м/с

Настоящую работу можно рассматривать как своего рода заявку на усовершенствование основных методических положений действующих корпоративных стандартов [1, 2] по анализу техногенного риска аварий на ОПО газовой промышленности в части моделирования аварийных процессов, характеризующихся указанными выше ПФ. Фокусирование внимания авторов именно на данных ПФ обусловлено в немалой степени и особой их спецификой, проявляющейся в неотвратимости и быстротечности реализации осколочного и газодинамического (ударно-волнового от первичной волны и струйного от вынужденно-конвективной струи) воздействий в момент разрушения той или иной технологической составляющей ОПО МГ, содержащей газ под давлением. Данная работа имела своей целью вывести аналитические расчетные соотношения для определения размеров зон потенциального поражения
(ЗПП) и вероятности смертельного поражения человека от указанных ПФ.

Определение полей потенциального поражения при аварии без возгорания газа основывается на соотношении для определения вероятности несовместимых событий:

1_1_1.jpg,          (1)

где Рчелоб(х,у) – условная вероятность поражения человека в точке с координатами (х, у) при воздействии всех ПФ; Рчелi   (х, у) – условная вероятность поражения человека i-м ПФ (в порядке возрастания индекса i: осколочным, барическим, напорным воздействием нерасчетной струи газа).

1_1_40.jpg

Рис. 2. Зависимость радиуса круговой зоны барического поражения человека ВУВ – Rзп физического взрыва от кубического корня из величины тротилового эквивалента mТНТ1/3:
I – смертельное поражение человека при отбросе; II – смертельное поражение человека в результате разрыва легких; III – разрыв барабанных перепонок.
Вероятность поражения: a – 90 %; b – 50 %; c – 1 %

Изолинии условных вероятностей осколочного и барического воздействия (i = 1, 2) являются окружностями, поскольку распространение соответствующих ПФ происходит центрально-симметрично относительно места разгерметизации. Напорное воздействие обладает осевой симметрией относительно оси струи и зависит от вида струи (настильная или свободно распространяющаяся). Данный факт отражен в уравнении (2), описывающем вычисление условной вероятности поражения напорным воздействием:

1_1.jpg,              (2)

где Рs – условная вероятность образования сверхзвуковой струи газа при аварии; Рsn – условная вероятность того, что образовавшаяся струя будет настильной; Рчелн.с. (х, у, a) и Рчелc.с. (х, у, a)  – условные вероятности поражения человека, соответственно, настильной или свободно распространяющейся под углом a к оси газопровода сверхзвуковой струей газа; p(a) – плотность вероятности отклонения оси струи от оси газопровода на угол a в горизонтальной плоскости.

1_1_41.jpg

Рис. 3. Структура сверхзвуковой струи:
Lзв и Dзв – длина и диаметр звукового участка; ΔLс.п. – длина сверхзвукового переходного участка; ΔLд.п. – длина дозвукового переходного участка; Λ – ударно-волновые бочки

Для вычисления каждой составляющей Рчелi   (х, у), а в случае напорного воздействия – также и для вероятностей Рчелн.с. (х, у, a),
Рчелc.с. (х, у, a), применяется отдельная методика.

Осколочное воздействие

Методика для вычисления полей поражения от осколочного воздействия [3] базируется на исследовании закономерностей разлета осколков. Такие закономерности вытекают из системы уравнений, описывающей движение осколка с учетом сопротивления воздуха:

  1_1_2.jpg, (3)

1_1_3.jpg,

1_1_4.jpg,

где V1(t) и V2(t) – проекции скорости осколка на горизонтальную и вертикальную оси; m, Sср, Сх– масса, площадь миделя и коэффициент сопротивления осколка; rа – плотность воздуха; g – ускорение силы тяжести.

Возможность вращения осколка в приведенной системе учитывается только использованием в уравнениях средней площади осколка и эффективного значения коэффициента сопротивления. При этом принято, что Sср вычисляется как среднегеометрическое по сечениям осколка в трех плоскостях, а коэффициент сопротивления равен 2 (соответствует приведенным в литературных источниках коэффициентам сопротивления плохо обтекаемых тел). Приведенная система уравнений во всех известных авторам исследованиях решалась путем численного интегрирования методом Рунге – Кутта, что существенно затрудняло получение определяющих зависимостей. Найденный для системы (3) инвариант движения [3] позволил аналитически описать закономерности разлета осколков и, как следствие, определить вероятность осколочного поражения человека при разлете n осколков – Рчел1,(n)(R) как функцию расстояния от аварийного источника:

1_1_5.jpg(4)

1_1_6.jpg

1_1_7.jpg,

1_1_8.jpg

1_1_9.jpg

1_1_10.jpg

1_1_11.jpg

1_1_12.jpg

1_1_13.jpg

1_1_14.jpg

где W – параметр осколка; R  – расстояние от аварийного элемента, м; Rmax(W) – максимальная дальность полета осколка с параметром W, м; l и r – высота и радиус цилиндра, моделирующего человека, м; c – скорость звука в воздухе, м/с; rа – плотность воздуха, кг/м3; rоб – плотность осколка, кг/м3; Mоск – число Маха осколка (определяется по моделям [1, 4, 5]);
Г(х) – гамма-функция; Рчел (R, Wi) – условная вероятность поражения человека, находящегося на расстоянии R, i-м осколком с параметром Wi; P(Wi) – условная вероятность того, что при разрушении аварийного элемента будет образован осколок с параметром Wi; Р11,чел(R, W) и
Р12,чел(R, W) – условные вероятности поражения человека, находящегося на расстоянии R от аварийного элемента, единичным осколком с параметром W, соответственно, на излете (прямое попадание) и при приземлении по навесной траектории («минометное» попадание).

1_1_42.jpg
Рис. 4. Зависимость вероятности гибели человека Pчел от удаленности от места разрыва

На рис. 1 приведен пример расчета распределения условной вероятности поражения человека типичным осколком (W = 10) при разрыве подземного трубопровода. Из рисунка видно, что в зоне поражения по навесной траектории (правее точки S) условная вероятность поражения остается приблизительно одинаковой, имеющей весьма малое значение – примерно 2,3·10-5, совпадающее со значением в точке S. В области прямого попадания (на рисунке практически совпадающие красная и черная линия левее точки S)
вероятность резко возрастает. Данное обстоятельство позволяет предложить использование RS в качестве безопасного, с точки зрения осколочного поражения, удаления. Соответственно, критерием для определения RS будет служить соотношение (5):

                Р11,чел(Rs, W) = Р12,чел(Rs, W).  (5)

В приведенном примере Rmax =
= 234 м, а RS  = 21 м. Таким образом, ЗПП для человека от осколочного воздействия на порядок меньше ожидаемого максимального радиуса разлета осколков.

 

Барическое воздействие

В основе расчета ЗПП от барического воздействия воздушной ударной волны (ВУВ) физического взрыва (при физическом взрыве ВУВ формируется за счет высвобождения потенциальной энергии сжатого газа) лежат хорошо известные экспериментальные соотношения для параметров ВУВ [6], приведенные ниже:

1_1_15.jpg

1_1_16.jpg

1_1_17.jpg,        (6)

где Dr – избыточное давление во фронте ВУВ, Па; I – импульс ВУВ, Па·с; mТНТ – тротиловый эквивалент физического взрыва, кг ТНТ; R – удаление от места аварии, м.

Предварительным этапом расчетов по (6) является вычисление тротиловых эквивалентов физического взрыва mТНТ при гильотинном разрыве трубопровода и полном разрушении сосуда со сжатым газом. Соотношения для вычисления mТНТ получены в [7] и имеют вид:

для гильотинного разрыва трубопровода

mТНТ = 6,05·10-2 [d0 ]3, кг ТНТ;

1_1_18.jpg, кг ТНТ; 1_1_19.jpg,           (7)

для полного разрушения сосуда

1_1_20.jpg,  (8)

где d0 – диаметр трубопровода, м; rg0– давление сжатого газа, Па; r0 – атмосферное давление, Па;  V0 – объем сосуда, м3; L – расстояние от места аварии до места локального завершения газопровода, м (расположения кранового узла, другого аппарата, поворота на 90°).

Соотношения (6)–(8) позволяют вычислить размеры ЗПП с использованием детерминированного подхода Руководства по безопасности (РБ) [8]. В соответствии с указанным подходом безопасным считается расстояние RБ, на котором избыточное давление на фронте ВУВ составляет Dr (RБ) = 5 кПа, а зоной гибели с внешним радиусом RГ считается зона, в которой Dr(R) ³ Dr (Rг) = 120 кПа. Тогда по (6):

RБ = 14,112mТНТ1/3; Rг = 1,659mТНТ1/3.        (9)

Совместно с (7) и (8) соотношение (9) позволяет найти RБ и RГ в каждом конкретном случае.

Для определения зон поражения человека ударно-волновым воздействием помимо детерминированного подхода применяется и вероятностный подход, изложенный в Федеральных нормах и правилах в области промышленной безопасности (ФНП) [9]. Суть указанного подхода состоит в том, что вероятность поражения человека вычисляется по пробит-функции:

   1_1_21.jpg,  (10)

где Pr – значение пробит-функции.

В нормативно-методической литературе по промышленной безопасности используется целый набор пробит-функций для описания вероятности реализации той или иной степени поражения человека, попавшего в зону действия ВУВ. Так, в ФНП [9] в качестве степеней поражения рассмотрены потеря управляемости у людей, разрыв барабанных перепонок и смертельное поражение за счет удара тела о землю или преграду при отбросе. В дополнение к перечисленным здесь видам поражений в монографии [10] рассмотрено и смертельное поражение человека в результате разрыва легких.

На рис. 2 представлены результаты расчета по пробит-функциям [9, 10] круговых зон барического поражения человека в случае аварии с полной разгерметизацией технологического оборудования или трубопроводов в зависимости от кубического корня из тротилового эквивалента физического взрыва. Из рисунка видно, что при тротиловом эквиваленте до 0,5 т ТНТ зона барического поражения не превышает 38 м. Гильотинному разрыву трубопровода с рабочим давлением 7,5 МПа и внутренним диаметром 1 м соответствует тротиловый эквивалент 39,3 кг ТНТ (на рис. 2 – вертикальная линия Тх).
При таком тротиловом эквиваленте радиус зоны барического поражения человека не превышает 17 м, а смертельного – 6 м. Нанесенная на рисунок линия, соответствующая 5 кПа (сплошная линия без точек), показывает, что с точки зрения возможности гибели человека от барического воздействия критерий РБ [8] в 5 кПа приемлем 1,1. 

Напорное воздействие струи газа

Методика расчета напорного (динамического) воздействия высокоскоростной струи газа на человека основывается на закономерностях гидродинамического течения первоначально сильно сжатого газа. Возникающая при таком течении струя изначально является сверхзвуковой. Ее структура существенно отличается от таковой для дозвуковых струй тем, что помимо дозвукового переходного и основного участка включает (рис. 3) звуковой участок со звуковым ядром, дозвуковым пограничным слоем и сверхзвуковым переходным участком.

В случае если струя не подвержена искусственным турбулизирующим воздействиям, наличием дозвукового переходного участка можно пренебречь, считая, что за звуковым сечением вниз по потоку поперечные профили скорости являются автомодельными и удовлетворительно описываются уравнением Шлихтинга, границы струи являются линейными, а полный импульс струи постоянен для любого сечения. При таких предположениях на основном участке распределения импульса вдоль и поперек оси струи всецело определяются значением полного импульса, а динамическое воздействие на человека сходно с воздействием ветровых нагрузок. Критерием поражения при этом будет отрыв человека от поверхности с последующим разгоном и возможностью смертельного поражения за счет удара тела о землю или преграду при отбросе. Аналитические зависимости для определения возможности смертельного поражения человека напорным воздействием струи были получены в [11] и сводятся к вычислению вероятности по формуле (10) с использованием пробит-функции, приведенной в [10]:

                Pr = –2,14 + 2,54ln(Umax),                (11)

где максимальная скорость разгона оторванного от поверхности земли тела человека Umax (м/с) в зависимости от его удаленности по оси от места разрыва L0 (м) вычисляется по формулам:

1_1_22.jpg

1_1_23.jpg

1_1_24.jpg              (12)

1_1_25.jpg

1_1_26.jpg

1_1_27.jpg1_1_28.jpg,

где Cx, F, mчел – аэродинамический коэффициент сопротивления, максимальная площадь сечения (м2) и масса (кг) тела человека; C = 0,0635 – коэффициент турбулентности потока; Lзв – длина звукового участка, м; Dзв –диаметр звукового участка, м; W – коэффициент струи (для настильной W = 1,2, для свободной W = 1); k » 1,4 – показатель адиабаты.

В (12) условие Umax ³ Umax0 описывает отрыв тела человека от поверхности. Очевидно, что при записи в виде равенства указанное условие является критерием безопасного удаления.

В качестве иллюстрации применения схемы (10)–(12) на рис. 4 приведены результаты расчетов условной вероятности гибели человека, находящегося на оси свободной струи при разрыве трубопровода с условным диаметром DN1000, с рабочим давлением 7,5 МПа. Из рисунка видно, что безопасное удаление в описанном случае составляет 280 м. При этом вероятность гибели человека, находящегося на данном расстоянии от места разрыва трубопровода, равна 0,53.

Все вышеизложенное относилось к людям, пребывающим на открытой площадке. Для людей в помещении вероятность гибели определяется вероятностью разрушения здания. В табл. 1 приведены рассчитанные по [11, 12] степени повреждения промышленных зданий от газодинамических течений в зависимости от параметров аварийного элемента. Условно можно считать, что при сильном повреждении здания человек гибнет с вероятностью 0,7.

И в заключение хотелось бы представить сводную табл. 2 из формул (3-й столбец) для расчета безопасных расстояний при различных видах воздействий (2-й столбец), полученную в результате исследований на основе представленных моделей (строки 1–5) и имеющихся данных по термическому поражению (строки 6–7).

Анализируя табл. 2, необходимо заметить, что, хотя по абсолютным значениям размеры зоны поражения от термического излучения (строка 6) и превышают размеры зоны поражения от напорного воздействия настильной струи (строка 5), вероятность поражения в первом случае соответствует 0,01 для людей без спецодежды, а во втором случае на линии отрыва человека от земли напорным воздействием струи вероятность гибели может составлять 0,5 и более. То есть в определенных ситуациях напорное воздействие настильной струи может являться самым опасным ПФ.

Таким образом, в работе представлены аналитические модели для расчета поражения человека осколочным, барическим (от физического взрыва) и напорным (от высокоскоростной струи газа) воздействиями при авариях на объектах трубопроводного транспорта газа. Показано, что при авариях без возгорания на технологических газопроводах доминирующим поражающим фактором является напорное (динамическое) воздействие высокоскоростной струи газа, в связи с чем для выполнения требований взрывобезопасности, изложенных в подп. 10.4 ФНП [9], расчет устойчивости зданий с постоянным пребыванием людей нужно проводить не только по избыточному давлению физического взрыва, но и по динамическому давлению струи газа.


Таблица 1. Размеры зон разрушения промышленных зданий от барического и напорного воздействия

Степень повреждения

Тип
оборудования

Размер зон разрушения

от воздействия ВУВ
физического взрыва, м

от напорного воздействия
струи газа, м

Слабое повреждение

Газопровод

1,23 · 10–1 · F1(r0, d0)

50,17·F3(r0, d0)

Сосуд

1,97 · 10–1 · F2(r0, V0)

Среднее повреждение

Газопровод

4,39 · 10–2 · F1(r0, d0)

37,84·F3(r0, d0)

Сосуд

7,04 · 10–2 · F2(r0, V0)

Сильное повреждение

Газопровод

2,51 · 10–2 · F1(r0, d0)

 28,02·F3(r0, d0)

Сосуд

4,03 · 10–2 · F2(r0, V0)

1_1_29.jpg 1_1_30.jpg 1_1_31.jpg; 1_1_32.jpg

 

Таблица 2. Определение границ зон потенциального поражения человека на открытой площадке

Тип
воздействия

Критерий безопасного расстояния

Расчетная
формула

1

Осколочное

Превалирование прямого попадания осколка

Р1,челR, W) =
= Р2,челR, W)

2

Ударно-волновое
от физического
взрыва сосуда

Давление во фронте ВУВ 5 кПа

1_1_33.jpg

3

Ударно-волновое
от физического взрыва на трубопроводе

Давление во фронте ВУВ 5 кПа

1_1_34.jpg

4

Напорное от свободно распространяющейся струи газа

Отрыв человека напорным воздействием

1_1_35.jpg

5

Напорное от нас­тиль­ной струи газа

Отрыв человека напорным воздействием

1_1_36.jpg

6

Термическое
от излучения
струевого пламени

Вероятность гибели человека 1 %
(без спецодежды)

1_1_37.jpg

7

Термическое
от пожара
в котловане

Вероятность гибели человека 1 %
(без спецодежды)

1_1_38.jpg



← Назад к списку