Способ определения параметров воздушной ударной волны при разгерметизации сосудов со сжатым газом
Владельцы патента RU 2541696:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий-Газпром ВНИИГАЗ" (RU)
Изобретение относится к области промышленной безопасности опасных производственных объектов и может быть использовано для определения зон, опасных для человека. Способ заключается в следующем. Предварительно определяют атмосферное давление и характеристики сосуда со сжатым газом, такие как исходное давление в сосуде, объем сосуда, определяют значение тротилового эквивалента взрыва, пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва, полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ наносят на диаграмму «давление-импульс» поражения людей, составляют заключение о степенях поражения людей, а по параметрам сосуда и окружающей среды, а именно по значениям исходного давления в сосуде, атмосферного давления и объема сосуда, определяют радиус круговой зоны разрушения промышленного здания. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. 1 табл., 1 ил.
Изобретение относится к области промышленной безопасности опасных производственных объектов и может быть использовано для определения зон, опасных для человека, и степеней возможных разрушений или повреждений зданий и сооружений воздушной ударной волной (ВУВ) при аварийной разгерметизации сосудов со сжатым газом.
Известен способ определения устойчивости зданий и сооружений и система для определения устойчивости зданий и сооружений (патент RU 2245531 С2, G01M 7/00, 27.01.2005), с помощью которых можно определять устойчивости зданий и сооружений при возникновении природных или/и техногенных опасностей, а также возможно осуществлять выработку комплекса мероприятий по устранению выявленных изъянов и недостатков конструкций и материалов. Известный способ позволяет определять устойчивость с заданной точностью за счет учета факторов, влияющих на определяемый параметр. Известный способ предусматривает учет экспериментальных и/или расчетных данных по уровню вибронагрузки от транспортных потоков, и/или от строительно-монтажных работ, и/или от промышленных сооружений, и/или степень агрессивности окружающей среды для строительных конструкций и данные прогноза природных или/и техногенных опасностей, направление их воздействия и уязвимые места объекта. Однако известный способ не позволяет определить степень поражения человека при воздействии ВУВ при разгерметизации оборудования со сжатым газом, например при разгерметизации сосуда.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании способа определения параметров ВУВ (избыточного давления и импульса во фронте) при разгерметизации сосудов со сжатым газом, позволяющего установить пространственное распределение параметров барического воздействия от разгерметизации сосудов со сжатым газом.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, - расширение функциональных возможностей, заключающихся в установлении пространственной картины распределения параметров ВУВ, образующейся при аварийной разгерметизации сосудов, содержащих природный газ, метан, под высоким начальным давлением, и обеспечении возможности защиты материальных ценностей и здоровья человека от воздействия ударной волны.
Технический результат способа определения параметров воздушной ударной волны (ВУВ) при разгерметизации сосудов со сжатым газом достигается за счет того, что сначала определяют атмосферное давление Р0, объем сосуда V0 со сжатым газом, исходное давление Pg0 в сосуде, параметр . Затем определяют значение тротилового эквивалента взрыва mTNT (кг) сосуда в случае разрушения сосуда под давлением из условия:
;
определяют пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва (м/кг1/3) по соотношениям:
;
где R (м) - расстояние от места разгерметизации;
определяют избыточное давление ΔР (кПа) во фронте ВУВ на расстоянии R от места разгерметизации сосуда
;
определяют импульс i (кПа·с) во фронте ВУВ на расстоянии R от места разрыва:
;
полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ наносят на диаграмму «давление-импульс» поражения людей в виде точки с координатами (ΔP(R); i(R)), анализируют положение данной точки на диаграмме «давление-импульс» относительно линий равновероятного поражения, по результатам проведенного анализа составляют заключение о степенях поражения людей, находящихся в зоне воздействия ВУВ с избыточным давлением ΔР и импульсом i во фронте ВУВ,
по параметрам сосуда и окружающей среды, а именно по значениям Pg0, P0, V0, определяют радиус круговой зоны разрушения (м) промышленного здания с заданной степенью разрушения 0,15, или 0,4, или 0,8 как: 
, или 
, или 
соответственно.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена диаграмма зависимости значений импульса i от избыточного давления ΔР во фронте ВУВ, по которой можно определить степень поражения человека.
Представленная на чертеже диаграмма иллюстрирует усредненные степени поражения человека при взрывах. На приведенной диаграмме цифрами 1, 2, 3 обозначены границы областей (линии равновероятного поражения), соответствующих различным степеням поражения людей с вероятностью 99,9%. При этом, линия, обозначенная цифрой 1, соответствует нижней границе области смертельной степени поражения человека, линия 2 - нижней границе области тяжелых поражений человека, линия 3 - нижней границе области, соответствующей легким поражениям человека.
Для трех различных линий равной степени поражения, представленных на чертеже, можно выделить участки, соответствующие режимам квазистатического (вертикальные асимптоты) и импульсного (горизонтальные асимптоты) приложения барической нагрузки. Степень поражения человека увеличивается с ростом давления и импульса. Построенная в (P-i) координатах диаграмма поражения человека позволяет с высокой вероятностью определить степень поражения человека без конкретизации типа источника взрыва и особенностей распространения ВУВ.
В условиях компактного расположения оборудования на площадных объектах важным является определение характеристик ВУВ в ближайшей к месту аварии зоне. Причем, по расчетам избыточного давления и импульса во фронте ВУВ можно осуществить оценку устойчивости конструкций к воздействию ВУВ с полученными параметрами. Настоящее изобретение позволяет определить параметры барического скачка давления во всем диапазоне расстояний от источника взрыва при разгерметизации сосуда.
На первом шаге определяем характеристики сосуда, исходное давление газа в сосуде Pg0, объем сосуда V0 и характеристики окружающего пространства, наличие в непосредственной близости от места разгерметизации устойчивых плоских конструкций, атмосферное давление P0.
На втором шаге при известных параметрах Pg0, P0, V0 вычисляют значение массового тротилового эквивалента взрыва, mTNT (кг), по формулам (1):
с параметром 
.
На третьем шаге определяют пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва (параметров ВУВ), т.е. зависимости избыточного давления ΔР (кПа) и импульса i (кПа·с) во фронте ВУВ от расстояния от места разгерметизации R (м) по соотношениям (4), (3) и (2).
По полученным значениям избыточного давления ΔP(R) и импульса i(R) во фронте ВУВ на расстоянии R от места разгерметизации сосуда, где предполагается нахождение человека, на P-i-диаграмму поражения людей (см. чертеж) наносят точку с координатами (ΔP(R); i(R)). В зависимости от того, в какую область (1, 2 или 3) попадает указанная точка, определяют степень поражения человека на расстоянии R от места разгерметизации сосуда. Таким образом, анализ приведенной на чертеже диаграммы позволяет сделать вывод о воздействии ВУВ с полученными параметрами на человека и определить степень его поражения.
По параметрам сосуда и окружающей среды, а именно по значениям Pg0, V0, и P0, определяют радиусы круговых зон разрушения промышленных зданий (м), соответствующих трем различным степеням повреждения зданий 0,15, или 0,4, или 0,8, как: 
, 
или 
соответственно.
В качестве примера осуществления изобретения предлагается рассмотреть сценарий аварии С(CHH) - «Каскадное разрушение пылеуловителей установки очистки газа КЦ-3 с образованием воздушной ударной волны (ВУВ) и вспышечным пожаром».
Предлагается определить воздействующие на стену главного щита управления (ГЩУ) компрессорного цеха (КЦ) давление и импульс первичной ВУВ, образующейся при разгерметизации пылеуловителя установки очистки газа КЦ на кратчайшем расстоянии от ГЩУ.
В качестве исходных данных принимаем:
- расстояние от циклонного пылеуловителя ЦПУ 7,5 ХЛ до стены операторной (ГЩУ КЦ) R=104 м;
- объем циклонного пылеуловителя ЦПУ 7,5 ХЛ V0=7,5 м3;
- рабочее давление циклонного пылеуловителя ЦПУ 7,5 ХЛ Pg0=5,2 МПа.
Учитывая:
P0=101,3 кПа; 
;
определяем
;
;
.
.
Полученные значения избыточного давления и импульса на фронте ВУВ нанесем на P-i диаграмму поражения людей с вероятностью 99,9% (фиг.1). Таким образом, при воздействии ВУВ с параметрами ΔР=1,53 кПа и i=0,013 кПа·с поражение человека отсутствует.
Для определения радиусов круговых зон разрушения промышленных зданий, соответствующих определенным степеням повреждения (0,15, 0,4 или 0,8), и устойчивости зданий необходимо воспользоваться данными приведенной ниже таблицы.
| Таблица 1 | |||
Зависимости размеров зон разрушения зданий (для трех заданных степеней разрушения) при разгерметизации сосудов со сжатым газом от параметров сосуда при выполнении условия:  . |
|||
| № п/п | Степень разрушения здания | Значение импульса, Па·с | Зависимость радиуса круговой зоны разрушения от параметров сосуда, м |
| 1 | 0,15 | 1,2·102 |
|
| 2 | 0,4 | 3·102 |
|
| 3 | 0,8 | 5·102 |
|
В соответствии с приведенными в таблице формулами возможно провести инженерные оценки устойчивости промышленных зданий и определить безопасные с точки зрения ударно-волновых нагрузок расстояния при адиабатических взрывах, сопровождающих аварии с разгерметизацией оборудования, содержащего сжатый газ.
Подставляя значения рабочего давления Pg0=5200000 Па и внутреннего объема циклонного пылеуловителя V0=7,5 м3 в формулы таблицы, в результате получим, что при нахождении здания от места разгерметизации сосуда в радиусе 1,9 м степень разрушения 0,8; в радиусе 3,4 м степень разрушения 0,4; в радиусе 9,5 м степень разрушения 0,15.
Таким образом, барические параметры, для заданных точек, позволяют определить степень поражения персонала и степень разрушения зданий, находящихся в зоне воздействия ВУВ.
Способ определения параметров воздушной ударной волны (ВУВ) при разгерметизации сосудов со сжатым газом, заключающийся в том, что
определяют атмосферное давление Р0, объем сосуда V0 со сжатым газом, исходное давление Pg0 в сосуде,
определяют значение тротилового эквивалента взрыва mTNT (кг) сосуда в случае разрушения сосуда под давлением из условия:
,
где параметр 
;
определяют пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва по соотношениям:
где R (м) - расстояние от места разгерметизации;
определяют избыточное давление ΔР (кПа) во фронте ВУВ на расстоянии R от места разгерметизации сосуда
;
определяют импульс i (кПа·с) во фронте ВУВ на расстоянии R от места разрыва:
;
полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ наносят на диаграмму «давление-импульс» поражения людей в виде точки с координатами (ΔP(R); i(R)), анализируют положение данной точки на диаграмме «давление-импульс» относительно линий равновероятного поражения, по результатам проведенного анализа составляют заключение о степенях поражения людей, находящихся в зоне воздействия ВУВ с избыточным давлением ΔР и импульсом i во фронте ВУВ,
по параметрам сосуда и окружающей среды, а именно по значениям Pg0, P0, V0, определяют радиус круговой зоны разрушения (м) промышленного здания с заданной степенью разрушения 0,15, или 0,4, или 0,8 как: 
, или
, или
соответственно.
