Дополнительные защитные преграды для снижения пожарной опасности разлива нефти и нефтепродуктов при разрушениях вертикальных стальных р

2

(13)

На правах рукописи

ВОРОБЬЕВ

Владимир Викторович

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ  ЗАЩИТНЫЕ ПРЕГРАДЫ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ РАЗЛИВА НЕФТИ И  НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ РАЗРУШЕНИЯХ  ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

Специальность: 05.26.03 - пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль, технические  науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата  технических наук

Москва - 2008 

Работа  выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре пожарной безопасности технологических процессов

 

кандидат технических наук, доцент Горячев С. А.

доктор технических наук, профессор Шебеко Ю.Н.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Нигметов Г. М.

 

Ведущая организация: Российский Государственный

Университет нефти  и газа им. И.М. Губкина

Защита состоится 20 июня 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан 19 мая 2008 г., исх. № 6/35.

Отзыв на автореферат с  заверенной подписью и печатью просим направить в Академию ГПС МЧС  России по указанному адресу.

Пузач С.В.

Телефон для справок: 8 (495) 683-19-05.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор 
 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Производственные объекты предприятий и организаций, осуществляющих разведку месторождений нефти, ее добычу, транспортировку и переработку, а также хранение и реализацию нефтепродуктов потребителям, в соответствии с федеральными законами «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» и «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» относят к категории опасных производственных объектов. Повышенную пожарную опасность на таких объектах имеют резервуарные парки, аварии в которых приводят к чрезвычайным ситуациям самого различного масштаба по количеству пострадавших в них людей, размерам материального и экологического ущерба.

Одним из характерных  и наиболее опасных по своим последствиям видов чрезвычайных ситуаций в резервуарных парках является разлив нефти или нефтепродукта при полном разрушении вертикального стального резервуара (РВС). Площадь разлива хранимых продуктов при разрушениях резервуаров достигает сотен тысяч квадратных метров. Ежегодно в России регистрируется две-три такие аварии. В то же время исследования, проведенные сотрудниками Центрального научно-исследовательского и проектного института строительных металлоконструкций им. Н. П. Мельникова, позволили установить, что общее число аварий в 3-5 раз больше регистрируемых, в связи с чем частота аварийных разрушений РВС оценивается достаточно высоким значением - 3-10^-4 год^-1. Согласно статистическим данным примерно половина всех зарегистрированных аварий квалифицировалась как крупные или катастрофические, 17 из которых привели к гибели 98 человек. Аварийные разливы нефти и нефтепродуктов наносят ущерб окружающей природной среде и приводят к значительным материальным и финансовым потерям, нарушают условия жизнедеятельности людей и производственной деятельности предприятий. Зарубежные специалисты классифицируют аварийные разрушения резервуаров с нефтью и нефтепродуктами как промышленные катастрофы, а согласно российскому законодательству они идентифицируются как чрезвычайные ситуации.

Опасность эксплуатации резервуарных парков объектов нефте- продуктообеспечения  усугубляется тем обстоятельством, что в результате интенсивного градостроительства в России, особенно за последние 20-30 лет, около четверти из них оказалось в черте плотной городской застройки, а половина - располагается на возвышенных площадках по отношению к отметкам смежных объектов или имеет уклоны промплощадок в сторону дорог, рек, портов и причалов. Кроме того, в целом по России более 60% резервуаров на объектах хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов эксплуатируется свыше 30 лет, и их износ достигает 60-80%.

Для защиты от растекания нефтепродуктов при авариях на РВС в отечественной и мировой практике применяются замкнутые земляные обвалования или ограждающие стены из негорючих материалов. Согласно действующим нормативным документам такие преграды рассчитывают только на гидростатическое давление относительно медленно вытекающего из поврежденного РВС продукта, поэтому они не могут удержать мощный поток жидкости, образующийся при квазимгновенном разрушении резервуара. Отличительными признаками такого разрушения являются: полная потеря целостности корпуса РВС, выход в течение короткого промежутка времени всей хранящейся в резервуаре жидкости в виде волны прорыва, которая характеризуется нестационарностью потока, наличием резкого фронта в виде бора (вала), достигающего значительной высоты и движущегося с большой скоростью. Волна обладает большой разрушительной силой, часто приводящей к повреждению соседних резервуаров в каре обвалования, размыву тела земляного обвалования или разрушению ограждающей стены. Даже при сохранении целостности и устойчивости нормативного ограждения через него происходит перелив значительного объема жидкости.

В последнее время  для предотвращения аварийного разлива  нефти и нефтепродуктов находят применение двустенные резервуары (в этом случае допускается не устраивать обвалования и ограждающие стены), а для локализации площади разлива вместо нормативных ограждений предлагается использовать защитные стены с волноотра- жающим козырьком. Заменить все РВС, находящиеся в эксплуатации, на двустенные резервуары не представляется возможным. Кроме того, при определенных достоинствах такие резервуары значительно дороже РВС, при их эксплуатации возможно образование горючей паровоздушной смеси в межстенном пространстве, а также имеются трудности при обслуживании основного резервуара и другие недостатки. Защитные стены с волноотражающим козырьком не рационально использовать для защиты резервуаров на нефтепромыслах, резервуар- ных парков небольших нефтебаз, при недостаточной несущей способности грунта, так как они представляют собой монументальные сооружения, высота которых соизмерима с высотой защищаемых резервуаров, а толщина стен у основания достигает 1,5 м и более.

В ряде нормативно-технических документов рекомендуется за нормативным ограждением на наиболее опасных направлениях устраивать дополнительные защитные преграды, служащие для сбора разлившихся жидкостей и отвода их в аварийные емкости. Параметры таких сооружений в нормативной и специальной литературе не приводятся. В связи с указанным выполнены исследования различных дополнительных защитных преград, служащих не только для сбора разлившегося продукта, но и для удержания волны прорыва, перехлестывающей через нормативное ограждение.

Целью диссертационной работы является определение параметров рвов и защитных стен, используемых в качестве дополнительных защитных преград для ограничения разлива нефти и нефтепродуктов при разрушениях РВС в резервуарных парках с нормативными ограждениями (земляными обвалованиями и ограждающими стенами).

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ последствий разрушений РВС и требований нормативных документов по защите от разлива нефтепродуктов;
• теоретически обосновать взаимодействие волны прорыва с нормативными ограждениями и разработать программу расчета параметров процесса;
• разработать математические модели взаимодействия волны прорыва с нормативными ограждениями и дополнительными защитными преградами, лабораторные стенды и методики проведения экспериментов;
• обосновать виды дополнительных защитных преград, способных удержать волну прорыва и локализовать разлив хранимой в резервуаре жидкости в пределах заданной площади;
• разработать методические указания для размещения дополнительных защитных преград и определения их оптимальных параметров.

Объектом исследования является система: нормативное ограждение - дополнительная защитная преграда, способная удержать волну прорыва и ограничить разлив нефтепродукта при разрушении РВС.

В качестве предмета исследования рассматривается процесс взаимодействия образующейся при полном разрушении РВС волны прорыва с защитными преградами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснована область применения дополнительных защитных преград в резервуарных парках с нормативными ограждениями (земляными обвалованиями и ограждающими стенами) с резервуарами типа РВС вместимостью до 5000 м , заполненных нефтью, бензином, водой, дизельным топливом и керосином.
2. Разработан алгоритм и программа расчета параметров процесса взаимодействия волны прорыва, образующейся при разрушении РВС, с вертикальной стеной ограниченной высоты. В результате обработки теоретически полученных данных установлена аппроксимационная зависимость степени перелива жидкости через вертикальную стену от безразмерных параметров.
3. Получены экспериментальные зависимости степени перелива жидкости для отдельно стоящего резервуара с нормативным ограждением (земляным обвалованием или ограждающей стеной).
4. Найдены аппроксимационные зависимости, позволяющие определять максимальные расстояния, на которые обрушится волна после взаимодействия с нормативными ограждениями.
5. Получены аппроксимационные зависимости и предложены номограммы для определения геометрических параметров дополнительных защитных преград, способных удержать в пределах защищаемой зоны волну прорыва и существенно ограничить площадь разлива нефти и нефтепродуктов при квазимгновенных разрушениях РВС, а также мест их размещения за нормативными ограждениями (земляными обвалованиями или защитными стенами).

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы состоит в том, что предложено использовать дополнительные защитные преграды, способные локализовать весь объем пожароопасной жидкости, перелившийся через нормативное ограждение при разрушении РВС, обеспечив безопасность людей и прилегающих территорий от воздействия волны прорыва и опасных факторов пожара разлившейся жидкости, и найдены их основные конструктивные параметры.

Применение дополнительных защитных преград позволит уменьшить  количество сил и средств, необходимых  для ликвидации последствий гидродинамической  аварии и возможного пожара при разрушении РВС.

Материалы диссертации реализованы при:

а) разработке методических указаний «Расчетное определение параметров дополнительных защитных преград для локализации разлива нефти и нефтепродуктов при квазимгновенном разрушении вертикального стального резервуара».

б) разработке плана по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов на нефтебазе ООО «Октан-Сервис».

в) разработке лекционного материала по курсу «Пожарная безопасность технологических процессов» в Академии ГПС МЧС России.

Основные результаты работы были доложены на:

второй Международной  научно-практической конференции «Пожарная и аварийная безопасность объектов» (г. Иваново, Ивановский институт государственной противопожарной службы, 2006).

научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (г. Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008)

На защиту выносятся:

- анализ статистических  данных о последствиях полных  разрушений РВС;

• результаты теоретического исследования процесса образования и взаимодействия волны прорыва с вертикальной стеной;
• закономерности, полученные при экспериментальных исследованиях процессов удержания волны прорыва системой защитных преград;
• виды и параметры дополнительных защитных преград, способных удержать объем жидкости, перелившейся через нормативное ограждение

Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.

Структура, объем работы и ее основные разделы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Содержание работы изложено на 156 страницах текста, включает в себя 12 таблиц, 93 рисунка, список использованной литературы из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ  РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показана научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе приводится анализ последствий полных разрушений РВС и систем защиты от растекания нефтепродуктов.

Анализ результатов наблюдений квазимгновенных разрушений РВС  был произведен по материалам зарегистрированных и описанных случаев аварий и  пожаров, которые произошли в  резервуарных парках объектов хранения нефти и нефтепродуктов в СССР, а после его распада в России и странах СНГ за период с 1950 по 2007 гг. Согласно полученным данным, в течение исследуемого периода зарегистрировано 140 случаев квазимгновенных разрушений РВС. Произведено разбиение общей совокупности статистических данных по таким существенным количественным и атрибутивным признакам, как ведомственная принадлежность объекта, номинальная емкость резервуара, вид продукта в аварийном резервуаре и др.

Согласно имеющимся данным, доля разрушившихся резервуаров  вместимостью до 5000 м³ составила 85%, 10000-20000 м³ - 12,8%, 30000 м³ и более - 2,2%.

Выявлено, что доля разрушившихся  резервуаров с жидкостями, вязкость которых соизмерима с вязкостью  воды (нефть, бензин, керосин, дизельное топливо) составила 59,3%, с водой - 18,6%, с мазутом и другими вязкими жидкостями - 22,1%.

При разрушении РВС волна  прорыва в 45,0% случаев аварий разрушала ограждающую стену или размывала обвалование, выходя за пределы территории объекта, что приводило к катастрофическим последствиям с большим материальным ущербом. В 38,6% случаев разрушений РВС поток продукта только промывал земляные дамбы или перехлестывал через них, не разливаясь за пределы территории производственного объекта. Как правило, такие гидродинамические аварии происходили при разрушении резервуаров небольших объемов (до 2000 м ) или при частичном (до 2/3 высоты) заполнении РВС больших объемов. Остальные 16,4% случаев приходятся на разлив продукта в каре защитного обвалования, при небольшом уровне заполнения (менее 1/5 высоты) РВС, разрушившихся, как правило, при взрыве паровоздушной смеси в резервуаре.

Проведенный анализ требований нормативных документов показал, что для защиты от растекания нефтепродуктов при авариях на РВС в отечественной и мировой практике применяются замкнутые земляные обвалования или ограждающие стены из негорючих материалов. Согласно действующим нормативным документам такие ограждения рассчитывают только на гидростатическое давление, а их высоту определяют исходя из равенства объема жидкости, хранимого в РВС, и объема, заключенного внутри обвалования. Поэтому земляные обвалования и ограждающие стены, как показывает практика, не удерживают мощный поток жидкости, образующийся при квазимгновенном разрушении резервуара. Даже при сохранении целостности и устойчивости нормативного ограждения через него происходит перелив значительного объема жидкости. В связи с этим за нормативным ограждением на наиболее опасных направлениях рекомендуется устраивать дополнительные защитные преграды, служащие для удержания волны, сбора разлившегося продукта и отвода его в аварийную емкость. Параметры таких сооружений в нормативной и специальной литературе не приводятся.