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

Модель резервуара заполняли определенным объемом  воды, постоянным для всех экспериментов конкретной серии и имитировали разрушение стенки резервуара. Каждый эксперимент повторялся не менее трех раз с фиксацией процесса цифровой видеокамерой.

Параметры, определяемые в  ходе проведения экспериментов:

• степень перелива жидкости через нормативное ограждение;
• максимальное расстояние, на которое обрушится волна после взаимодействия с нормативным ограждением;
• геометрические параметры дополнительных защитных преград для полного удержания потока жидкости, перелившегося через нормативное ограждение.

Максимальная  относительная погрешность проведения экспериментов не превышала 28%.

В результате проведения экспериментов:

• определена степень перелива жидкости через нормативное ограждение при разрушении резервуара. Выявлено, что степень перелива существенно зависит от вида ограждения, его высоты и слабо зависит от расстояния, на котором оно установлено от резервуара;
• определено максимальное расстояние, на которое обрушивается волна после взаимодействия с нормативным ограждением. Это расстояние зависит от вида ограждения, его высоты, а также от расстояния, на котором оно установлено от резервуара;

- применение рвов трапецеидального  сечения (рис. 10, 12) в зоне действия  гидродинамической волны является  неэффективным защитным мероприятием.

в качестве дополнительных защитных преград  предлагается использовать рвы трапецеидального сечения с вертикальным откосом (h_CT=0), вертикальные стены (^_рв=0), а также их комбинацию (рис. 15).

 

В четвертой главе приведены результаты обработки и анализа теоретически и экспериментально полученных данных, результаты натурного эксперимента, а также приведена методика определения геометрических параметров дополнительных защитных преград. Аппроксимация результатов исследований проводилась с помощью программы STATGRAPHICS (версия 5.1).

Для приведения результатов компьютерного моделирования  к инженерному уровню были аппроксимированы полученные данные по степени перелива жидкости через вертикальную стену. Рассмотрено 72 варианта, учитывающих весь модельный ряд РВС и всю область применения защитных преград. Среднее время расчета одного варианта составило 40 мин, общее время - 48 ч.

Безразмерными параметрами  в теоретической модели процесса взаимодействия волны прорыва с  защитной преградой являются отношения a/Hp, r/H_v, L/H_v, где r - приведенный диаметр, рассчитываемый по формуле: r = 4nD /2.

Исследуемый диапазон изменения  параметров составил:

0 < a/Щ < 0,8; 0,8085 < r/Щ < 3,1458;

1,0 < L/Щ < 2,8.

Результаты обработки  данных показали, что параметры r/Щ и L/Щ в разработанной математической модели являются незначимыми.

Полученная зависимость  для определения степени перелива имеет вид:

z = 1 -1,204 a / Я , (11)

Статистические характеристики:

R² = 97,7%; F = 3,96; F = 3792,27; А = 0,085,

где RR - величина достоверности аппроксимации; F^ - критическое значение F-критерия Фишера; F_u - значения F-критерия Фишера в модели; А - доверительный интервал при уровне значимости а=5%.

a/H

Графическая интерпретация  результатов теоретического исследования представлена на рис. 16.

—А			1 _
;			;
			\i 1

1

0,8 0,6 0,4 0,2 О

р

Рис. 16. Зависимость степени  перелива от высоты вертикальной стены

 

Для использования  результатов экспериментального исследования на практике был проведен регрессионный анализ опытных данных, и введены некоторые ограничения по области применения полученных аппроксимационных выражений.

При проведении экспериментов в качестве рабочей  жидкости использовали воду. Сравнение теоретически полученных данных с экспериментальными проводилось также для воды. Вязкости нефтепродуктов, хранимых в РВС, изменяются в широком диапазоне и зависят не только от их видов, но и от температуры. В связи с невозможностью моделирования вязкости при проведении экспериментов представленные выше аппроксимационные зависимости могут быть распространены только на бензин, керосин, дизельное топливо и нефть, а также иные жидкости, вязкость которых находится в диапазоне:

0,5-Ю"⁶ < v < 2,0-Ю"⁶, где V - коэффициент кинематической вязкости нефтепродукта, м /с.

Так как экспериментальные  данные по определению степени перелива, максимального расстояния, на которое обрушится волна, и геометрических параметров дополнительных защитных преград были получены на моделях РВС-1000 и РВС-2000 область применения приведенных выше аппроксимационных выражений по параметру Dp/Hp ограничивается диапазоном:

0,87 < D/Нр < 1,58.

Диапазон изменения  параметров, варьируемых при проведении экспериментов, составил:

0,1 < a/H_v < 0,25; 0,4 < L/D_v < 1,0;

Учитывая принятые допущения и погрешности, а также  другие неучтенные при проведении экспериментов  обстоятельства, которые могут повлиять на движение волны прорыва (например, влияние соседних резервуаров в каре обвалования), в полученные аппроксима- ционные зависимости был введен коэффициент запаса надежности:

k = 2( E + Д), (12)

где E - доверительный интервал, учитывающий случайную и систематическую погрешности проведения экспериментов; Д - доверительный интервал аппроксимации экспериментальных данных для одностороннего теста. Доверительные интервалы в работе определялись при уровне значимости а=5%.

Полученные уравнения  с учетом коэффициента запаса надежности, номограммы, величины достоверности аппроксимации R², критические значения F-критерия Фишера F_Rp, значения F-критерия Фишера в моделях F_M, а также доверительных интервалов аппроксимации экспериментальных данных Д представлены ниже.

Степень перелива жидкости через нормативное ограждение:

- для нормативной вертикальной  стены: 
 

z = - k₁ - m₁ ln(a/Hp) - n₁ ln(L/D_F); R² = 99,3%; F = 3,96; F = 1194,75; Д = 0,014.

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,

Рис. 17. Номограмма для определения  степени перелива жидкости через  нормативную вертикальную стену

0,9 1,0 1,1 L/D

p

z 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10

 

- для нормативного трапецеидального  обвалования:

(14)

z = - k₂ - m₂ ln(a/H^ - n₂ 1п(Ь^_р); R² = 99,6%; F = 3,59; F = 2275,87 ; Д = 0,007.

 

			a/H р=0,10
			a/H р=0,15
			a/H р=0,20
			a/H р=0,25

z 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1

L/D

 

Рис. 18. Номограмма для определения степени перелива жидкости через нормативное трапецеидальное обвалование

р

Максимальное расстояние, на которое обрушится волна после  взаимодействия с нормативным ограждением: 

- для нормативной вертикальной  стены:

L JD р 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

(16)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

Рис. 20. Номограмма для определения максимального  расстояния, на которое обрушится  волна, при нормативном трапецеидальном  обваловании

L/D р

L в/D р 1,6

В формулах 13-16 k, m_u п,p и q - константы уравнений регрессии.

LJD_V = - к₃ - m₃1n(a/Hp) - П3 1n(L/Dp); R² = 96,3%; F = 3,59; F = 221,29; Д = 0,012.

кр

							a/H р=(	),10
							^a/H р=0,15
							a/H р=0,20
							a/H р=0,25

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

 

L/D

^р

Рис. 19. Номограмма для определения  максимального расстояния, на которое  обрушится волна, при нормативной  вертикальной стене

- для нормативного трапецеидального  обвалования:

Lb/Dp = к₄ - m₄ (a/H_p)P - n₄ (L/D_p)^q. R² = 90,1%; F = 3,59; F = 77,78; Д = 0,064. 

Высота вертикального  откоса рва и вертикальной стены: Ист/Нр = 0,272 - 0,781(йр_В/Нр). R² = 98,6%; F = 7,71; F = 275,80; Д = 0,022.

5 ? кр ' ' м ?? ?

Рис. 21. Влияние глубины  рва на высоту стены

h рв/Н р

 

Сравнение результатов  теоретических и экспериментальных  исследований по степени перелива жидкости через нормативные ограждения показало, что теоретически полученные данные имеют завышенные значения, что объясняется допущениями, принятыми при разработке математической модели. Одно из наиболее существенных допущений: математическая модель описывает разрушение стенки хранилища жидкости, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда с распространением волны прорыва в канале прямоугольного сечения, ширина которого равна ширине разрушившейся стенки. Таким образом, результаты теоретического исследования могут быть использованы для прогнозирования обстановки при разрушении резервуаров любой вместимости, но необходимо иметь в виду, что степень перелива жидкости будет завышена.

Натурный эксперимент  по разрушению резервуара был проведен в июле 2004 г. на нефтебазе в Липецкой области, где был подвергнут разрушению один из восьми однотипных резервуаров РВС № 8 (номинальный объем 700 м ; Л_р=10,4 м; Н_р=9 м), полностью заполненный водой. Для оценки наиболее опасных последствий взаимодействия волны прорыва с нормативной защитной преградой разрушение РВС- 700 произвели со стороны земляного обвалования резервуарного парка. На рис. 22 представлена обстановка в резервуарном парке нефтебазы с указанием площади разлива жидкости после разрушения РВС.

Результаты натурного  эксперимента подтвердили характер взаимодействия образовавшегося потока жидкости с земляным обвалованием. Значительный объем жидкости перехлестнул через обвалова 
ние, частично размыв его гребень и растекся на прилегающей территории. Кроме того, были повреждены и сдвинуты с фундамента соседние резервуары. Необходимо отметить, что разлив жидкости при разрушении резервуара на завершающем этапе был существенно ограничен расположенными в непосредственной близости естественными оврагами глубиной от 2,5 до 7,0 м, что привело к снижению фактической площади разлива.

Граница площади разлива

■ 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111

Рис. 22. Обстановка на нефтебазе  после разрушения РВС № 8

 

Для оценки возможности  использования результатов экспериментальных исследований на натурных объектах можно сравнить максимальное расстояние, на которые обрушивается волна, в натурном эксперименте с рассчитанным расстоянием по формуле (17). В натурном эксперименте расстояние составило 10 м, а рассчитанное по формуле (17) - 10,55 м. Относительное расхождение результатов - 5,5%.

Таким образом, проведенные  на экспериментальных стендах опыты  удовлетворительно моделирует процессы разрушения резервуара и взаимодействия волны прорыва с защитными преградами.

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

В приложении представлены акты внедрения, алгоритм расчета и текст программы, описывающей движение волны прорыва и ее взаимодействие с вертикальной стеной ограниченной высоты, приводятся файлы обработки теоретически и экспериментально полученных данных.

ВЫВОДЫ

1. Анализ статистики и собранные данные по разрушениям РВС свидетельствует, что гидродинамические аварии в резервуарных парках продолжают иметь место, а их последствия часто носят катастрофический характер.
2. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показали, что применяемые нормативные ограждения (обвалования, стены) не удерживают в пределах защищаемой территории значительную часть жидкости, выходящую из аварийного РВС, а противопожарные разрывы между резервуарными парками и соседними объектами в несколько раз меньше протяженности зон возможного поражения волной прорыва.
3. На основании известных теоретических положений о неустановившемся быстро изменяющемся движении жидкости, разработан алгоритм расчета и создан программный продукт, описывающий процесс взаимодействия волны прорыва, возникающей при разрушении резервуара, с вертикальной стеной ограниченной высоты. Программа позволяет выводить графики местной скорости звука, осредненной скорости потока и его глубины в режиме реального времени, а также определять степень перелива жидкости через вертикальную стену и высоту стены, необходимую для полного удержания жидкости.
4. Разработаны лабораторные стенды и методики проведения экспериментальных исследований на основе анализа критериев подобия, полученных в результате физического и математического моделирования процессов взаимодействия волны прорыва с защитными преградами.
5. По результатам проведенных экспериментов найдены наиболее эффективные конфигурации дополнительных защитных преград, способных ограничить площадь разлива жидкости, перехлестнувшей через нормативное ограждение. Экспериментально определены их геометрические параметры.
6. Получены регрессионные математические модели для определения теоретической и экспериментальной степени перелива жидкости через нормативные ограждения, а также определения геометрических параметров дополнительных защитных преград.
7. Разработаны методические указания по определению параметров дополнительных защитных преград в резервуарных парках с нормативными ограждениями (земляными обвалованиями и ограждающими стенами).