Вибухи при аварійній розгерметизації магістрального газопроводу

 

Розглянемо моделі, що використовуються для визначення параметрів вибуху при аваріях на газопроводах.

Аварії при розгерметизації газопроводів супроводжуються наступними процесами і подіями: виходом газу до спрацьовування відсікаючої арматури (імпульсом на закриття арматури є зниження тиску продукту); закриття відсікаючої арматури; вихід газу з ділянки трубопроводу, відсіченого арматурою.

У місцях пошкодження відбувається вихід газу під високим тиском в навколишнє середовище. На місці руйнування у ґрунті утворюється вирва. Метан піднімається в атмосферу (легший за повітря), а інші гази або їх суміші осідають в приземному шарі. Змішуючись з повітрям гази утворюють хмару вибухонебезпечної суміші.

Статистика показує, що приблизно 80 % аварій супроводжується пожежею. Іскри виникають в результаті взаємодії частинок газу з металом і твердими частинками ґрунту. Звичайне горіння може трансформуватися у вибух за рахунок самоприскорення полум'я при його поширенні по рельєфу і в лісі.

Отже, вибухове горіння при аваріях на газопроводі може відбуватися також по одному з двох режимів - дефлаграційному або детонаційному. При оперативному прогнозуванні приймають, що процес розвивається в детонаційному режимі.

Дальність розповсюдження хмари (рис 2) вибухонебезпечної суміші в напрямку вітру визначається за емпіричною формулою

 

, м, (11)

 

де М - масова секундна витрата газу, кг/с;

25 - коефіцієнт пропорційності, що має розмірність м^3/2 / кг^1/2;

W - швидкість вітру, м/с.

 

Тоді межа зони детонації, обмежена радіусом r ₀, в результаті виходу газу за рахунок порушення герметичності газопроводу, може бути визначена за формулою

 

, м. (12)

 

Масова секундна витрата газу М з газопроводу для критичного режиму виходу, коли основні його параметри (витрата і швидкість виходу) залежать тільки від параметрів розгерметизованого трубопроводу, може бути визначена за формулою

 

, кг/с, (13)

 

де Y- коефіцієнт, що враховує витрату газу від стану потоку (для звукової швидкості витікання Y =0,7);

F - площа отвору виходу, приймається рівною площі перерізу трубопроводу, м²;

m- коефіцієнт витрат, що враховує форму отвору (m = 0,7... 0,9), у розрахунках приймається m= 0,8;

Р_г - тиск газу в газопроводі, Па;

V_г - питомий об'єм транспортованого газу при параметрах в газопроводі (визначається за формулою 14).

 

, м³ / кг, (14)

 

де Т - температура транспортованого газу, К;

R ₀ - питома газова постійна, що визначається за даними пайової складу газу q_к і молярним масам компонентів суміші із співвідношення

 

, Дж / (кг ∙ К), (3.15)

 

де 8314 - універсальна газова постійна, Дж / (кмоль

m_к - молярна маса компонентів, кг/кмоль;

n - число компонентів.

 

В зоні дії детонаційної хвилі тиск приймається рівним 1,7 МПа. Тиск у фронті повітряної ударної хвилі на різній відстані від газопроводу визначається з використанням даних табл. 1.

При прогнозуванні наслідків аварії, що трапилася на газопроводі зону детонації і зону дії повітряної ударної хвилі приймають з урахуванням напрямку вітру. При цьому вважають, що межа зони детонації поширюється від трубопроводу за напрямком вітру на відстань 2 r ₀ (рис. 2). У разі завчасного прогнозування, зона детонації визначається у вигляді смуг уздовж всього трубопроводу шириною 2 r ₀, розташованих з кожної з його сторін. Це пов'язано з тим, що хмара вибухонебезпечної суміші може поширюватися в будь-яку сторону від трубопроводу, в залежності від напрямку вітру. За межами зони детонації по обидва боки від трубопроводу знаходяться зони дії повітряної ударної хвилі. На плані місцевості ці зони також мають вигляд смугових ділянок вздовж трубопроводу.

Слід зауважити, що на планах місцевості вздовж магістральних нафто - і газопроводів наносяться зони можливих сильних руйнувань, межі яких визначаються величиною надлишкового тиску 50 кПа.

 

D Р - тиск у фронті повітряної ударної хвилі; D Р_ф - тиск у зоні детонації;

r ₀ - радіус зони детонації; R - відстань від розрахункового центру вибуху;

 

Рисунок 2 ‑ Розрахункова схема до визначення тисків при аварії на газопроводі

 

При проведенні оперативних розрахунків слід враховувати, що в залежності від класу магістрального трубопроводу, робочий тиск газу Р_г може складати: для газопроводів високого тиску 2,5 МПа; середнього тиску - від 1,2 до 2,5 МПа; низького тиску - до 1,2 МПа. Діаметр газопроводу може бути від 150 до 1420 мм

Температура транспортованого газу може бути прийнята в розрахунках Т = 40°С. Склад звичайного газу, при відсутності даних, може бути прийнятий у співвідношенні: метан (СН₄) - 90 %; етан (С₂Н₆) - 4 %; пропан (С₃Н₈) - 2 %; Н-бутан (С₄Н₁₀) - 2 %; ізопентан - (С₅Н₁₂) - 2 %.

 

Приклад розрахунку радіуса зони детонації r ₀

Вихідні дані:

d = 0,5 м; Р_г = 1,9 МПа; Т = 40°С; W = 1 м/с; m=0,8.

Розрахунок:

1. Дж/(кг ∙ К).

2. м³/кг.

3. = 536 кг/с.

4. м.

5. м.