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

Согласно нормативным  документам для предотвращения распространения пожара на соседние объекты между ними и резервуарным парком устраивают противопожарные разрывы. Анализ требований, предъявляемых к противопожарным разрывам, показал, что их размеры в несколько раз меньше радиуса зоны возможного поражения волной прорыва, возникающей при разрушении РВС. Это обстоятельство не позволяет предотвратить поражение волной прорыва соседние объекты, а увеличение противопожарных разрывов до сотен метров нерационально.

Таким образом, применяемые  системы защиты от растекания нефтепродуктов являются малоэффективными при квазимгновенных  разрушениях РВС. Одним из способов предотвращения проявления негативных социальных, экономических и экологических  последствий аварий такого рода в резервуарных парках с нормативными ограждениями можно считать применение дополнительных защитных пре 
град, способных ограничить разлив нефти или нефтепродукта, вышедшего за пределы нормативного ограждения.

Во второй главе приводится обзор исследований образования волны прорыва, ее распространения и взаимодействия с защитными преградами различной конфигурации. В рассмотренных работах содержатся постановка задачи, начальные и граничные условия, указывается на метод численного решения, а также интерпретируются результаты единичных расчетов, что не позволяет использовать эти материалы для оценки взаимодействия волны прорыва с нормативными защитными ограждениями в достаточно широком диапазоне а/Н_р, Dp/Hp и L/Hp (здесь а - высота защитной преграды, Н_р - уровень взли- ва жидкости в резервуаре, О_р - диаметр резервуара, L - расстояние от стенки резервуара до защитной преграды). В связи с этим возникла необходимость разработки алгоритма решения задачи о взаимодействии волны прорыва с защитной преградой.

Рассматривалась плоская одномерная задача: между  двумя створами х = -г; 0 имеется канал, заполненный жидкостью с постоянной глубиной Н_р (рис. 1). На расстоянии x=L расположена вертикальная стена высоты а. В начальный момент времени t=0 створ канала с координатой х=0 мгновенно разрушается и покоящаяся до этого жидкость приходит в движение в направлении вертикальной стены. Необходимо определить степень перелива (долю жидкости, которая выйдет за пределы преграды при разрушении резервуара).

щшшшш^.шшшшшшшшт  < ►U ►

- r 0 х = L

ю

(1)

Рис. 1. Схема резервуара и вертикальной стены нормативной высоты

Система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих движение жидкости, имеет  вид:

_,дс дс ди 2(— + и—) + с— = 0; дt дх дх

ди ди _ дс .. — + и — + 2с— = 0. . дt дх дх

где и - осредненная скорость потока по глубине; с = y[gh - местная 

скорость звука; g - ускорение свободного падения; h - глубина потока; x - координата; t - время.

При решении задачи приняты  следующие допущения:

• рассматривается одномерная задача;
• движение происходит в канале прямоугольного сечения;
• время разрушения резервуара много меньше характерного времени движения волны прорыва до обвалования;
• жидкость является невязкой;
• трение жидкости о подстилающую поверхность отсутствует;
• поверхность канала является плоской;
• уклон канала постоянен и равен нулю. Начальные условия:

u (X;0) = 0;

- r < x < 0 ,  (2)

с ( x ;0) = 4gH^.

0 < X < L ^{U (X ;0)} = ^0; (3)

с ( x ; 0 ) = 0 .

Граничное условие на вертикальной стене (X = L):

(_с² _ _с ²)^3/2

u = ⁽ H(с _ с₀), (4)

с

где с₀ = -Jga , H(с _ с₀) - функция Хэвисайда, которая использовалась для включения различных граничных условий в одну формулу:

Г1,(с _ с₀) > 0; H(с _ с ) = \^{л oJ} (5)

\0,(с _ С0) < 0.

Граничное условие на левом створе канала (х = _ r):

u =0. (6)

Для решения данной задачи разработан алгоритм расчета, в  основу которого был положен метод характеристик с фиксированным шагом сетки по времени (схема Хартри). Сущность метода сводится к решению уравнений:

dx

• = u + с; dt

^u+ 2с = const, (₇)

dx

• = u _ с; dt

u _ 2с = mnst.

Состояние перед  разрывом ( uf, су) и за разрывом ( u_b, с_ь ) удовлетворяют уравнению ударной адиабаты: 

.2 Л

^f

²

b У

c

с

b

(8)

-1

1 +

U ь U , —

л/2

v c² V ^f

c

Скорость  распространения ударной волны  записывали в виде:

 

c_f

(9)

U — u_f

H ^T

-t I

¹+7.

- V2 с,

1 c_b²

Степень перелива определяли по выражению:

(10)

z

,((X (()dt,

u

 

где u_ro и с_ю - соответственно осредненная скорость потока и местная скорость звука над вертикальной стеной.

Программа написана на языке Turbo Pascal (версия 7.0) и позволяет определять значения степени перелива, максимального подъема жидкости на стену, а также выводить графики местной скорости звука, осредненной скорости потока и его глубины в режиме реального времени. Аналитическое уточнение параметров потока на вертикальной стене для малого промежутка времени после взаимодействия жидкости с преградой проводилось с помощью программы Mathcad (версия 13). Правильность получаемых результатов оценивалась по графикам изменения параметров процесса в зависимости от координаты и времени.

На рис. 2-8 представлены графики расчета параметров потока для РВС-2000 с ограждающей стеной нормативной высоты, равной 2,4 м и  расположенной на расстоянии 9,0 м от стенки резервуара. График осредненной скорости потока более темный по отношению к графику местной скорости звука. График глубины потока является верхней границей заштрихованной площади.

 

Рис. 2. Безразмерное время с момента  Рис. 3. Безразмерное время с момента  разрушения резервуара 0,375 разрушения резервуара 1,2 

 

Рис. 4. Безразмерное время с момента  разрушения резервуара 2,4

Рис. 6. Безразмерное время  с момента разрушения резервуара 4,8

Рис. 5. Безразмерное время с момента разрушения резервуара 3,6

 

Рис. 7. Безразмерное время  с момента разрушения резервуара 6,0

 

Степень перелива через вертикальную стену для рассмотренного случая равна 0,6654, т.е. почти 1380 м жидкости при  данной высоте преграды выйдет за пределы  нормативного ограждения (расчетной  области).

При расчете гидродинамической  нагрузки на вертикальные стены необходимо знать распределение осредненных  скоростей в потоке. В рассмотренных  литературных источниках эти данные отсутствуют в явном виде, хотя и используются при расчетах. Разрабатывая программу взаимодействия волны прорыва с защитной преградой, было учтено это обстоятельство: графики и значения осредненной скорости потока могут быть выведены на монитор и печать. 

Анализ результатов  расчетов позволил сделать следующие  выводы:

• в исследуемом диапазоне изменения параметров высота вертикальной стены, необходимой для полного удержания жидкости в пределах защищаемой зоны, сравнима с высотой уровня жидкости в резервуаре;
• положительные значения осредненной скорости потока в области за ударной волной характеризуют нарастание уровня жидкости на стене;
• отрицательные значения осредненной скорости потока в области за ударной волной характеризуют понижение уровня на стене и движение жидкости обратно к резервуару;
• по мере увеличения высоты стены скорость распространения ударной волны также увеличивается, что обусловлено ростом разности параметров потока за и перед ударной волной.

В третьей главе проводятся данные по экспериментальному исследованию системы: нормативное ограждение - дополнительное защитное сооружение.

Анализ критериев  подобия процессов взаимодействия волны прорыва с защитными  преградами показал, что при создании модельных стендов для воспроизведения волны прорыва и нахождения параметров дополнительных защитных преград необходимо обеспечить только геометрическое подобие моделей и натуры, соблюдая постоянное отношение между линейными размерами всех величин. В качестве рабочей жидкости при проведении экспериментов использовали воду.

Для определения  доли жидкости, вышедшей за пределы нормативного ограждения, была изготовлена модель резервуара РВС-1000 в масштабе 1:50. Для уточнения параметров дополнительных защитных преград была использована имеющаяся модель РВС-2000 в масштабе 1:30.

Боковая поверхность экспериментальных резервуаров (стенка) представляла собой два полуцилиндра 1, соединенных между собой поворотным механизмом 2, который обеспечивал их раскрытие на 180⁰ (рис. 8). Разъемное устройство 3 воспроизводило разрушение резервуара по вертикальной образующей корпуса модели. В собранном виде элементы резервуара образовывали замкнутую цилиндрическую оболочку, установленную на подставку 4 и скрепленную с ней косынкой поворотного механизма.

Экспериментальные резервуары, предназначенные для  гидродинамических опытов (многократного воспроизведения процессов и явлений, имеющих место при разрушении РВС) обеспечивали:

а) герметичность конструкции  при заполнении ее жидкостью; 

б) имитацию разрушения РВС по вертикальному шву со свободным раскрытием стенок под действием напора жидкости на 180°;

в) образование волны прорыва и ее взаимодействие с защитными преградами.

1

1

3

Рис. 8. Принципиальная схема  модели РВС-1000

 

На различных расстояниях от макета резервуара устанавливали защитную преграду нормативной высоты, моделирующую вертикальную стену или трапецеидальное обвалование с углом откоса 45°. В качестве дополнительных защитных преград рассматривали рвы различной конфигурации и вертикальные стены. Схемы проведения экспериментов представлены на рис. 9-14:

 

Нр

c

 

ш^Ш.ШШШШШ

I

к 

т

рв

ЩШШг b

ч   ► "К

W////////A L

 

Рис. 10. Схема проведения экспериментов  серии Б 

Ш

it S

i

У///////////А

У//////А

Нр

i

У/////////////////////А

^L ►

V///////////////A Рис. 11. Схема проведения экспериментов серии В

шшшшжш.

W/////A

Нр

►ч ^L

c

I

У////////Ш

Эр

 

Рис. 12. Схема проведения экспериментов  серии Г

 

защитная стенка

Ьс

I

I

с

Нр

 

У//////Ж

У///////////////////Ж

Эр

ЩЩ/ШШвШШ

L

и

>ч

 

Рис. 13. Схема проведения экспериментов серии Д

Нр

 

JL

У///////////Л

У//Д//////////////////А Lв

ч

"/ 

ст

I

I

У//////////Л

У//////////////////////А Эр

Ш////А

< *

 

Рис. 14. Схема проведения экспериментов серии Е

где: Э_р - диаметр модельного резервуара; Н_р - уровень жидкости в модельном резервуаре; L - расстояние от резервуара до нормативного ограждения; a - высота ограждения; b - расстояние от ограждения до переднего откоса рва; c - ширина рва; Ь_рв - глубина рва; Ь_ст - высота 

дополнительной  защитной стены; Ь_в - максимальное расстояние, на которое обрушится волна.

Примечание: первоначально  эксперименты серий А и В проводились  без установки вертикальной стенки на противоположном откосе рва.