ООО «ИКЦ «Промтехбезопасность» Тюменский филиал промышленной и
реклама
ООО «ИКЦ «Промтехбезопасность» Тюменский филиал Конкурс: Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах Номинация конкурса: 3 РАСЧЁТ УСТОЙЧИВОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ ОПЕРАТОРНОЙ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ВЗРЫВА Автор проекта: Специалист экспертного отдела ООО «ИКЦ «Промтехбезопасность» м.т.т. Функ Я.В. Тюмень-2008 г. Оглавление. ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................... 3 1. Расчет величины показателей избыточного давления взрыва ГПВС и их зависимость от различных факторов............................................................................................................... 4 2. Расчёт величины воздействия избыточного давления возможного взрыва................... 10 3. ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ВЗРЫВА ГПВС НА ЗДАНИЕ ОПЕРАТОРНОЙ......................................................................................................................... 15 4. ВЫВОД ................................................................................................................................... 23 5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:................................................................ 24 2 Введение. Эффективное управление опасными объектами, осуществляющими хранение и переработку нефтепродуктов, является важнейшей мерой для предотвращения пожаров, взрывов и токсических выбросов. Такое управление требует правильного проектирования и выбора места расположения систем управления, в том числе зданий содержащих данные системы. Операторные здания особо подвержены разрушению, в том числе и персонал находящийся внутри подвержен наибольшему риску поражения не только барическими негативными факторами, но и получить повреждения вторичными негативными факторами, такими как осколки стёкол, стен, обрушение кровли. В соответствии со статистикой аварийных ситуаций произошедших на предприятиях транспортировки, подготовки и нефтегазопереработки наиболее серьёзную опасность представляет облако газопаровоздушной смеси образовывающееся над площадью пролива и в свободном пространстве резервуара. В отличии от точечных взрывов твёрдых веществ взрыв облака ГПВС является объёмным взрывов. Наибольшую опасность для людей и сооружений представляет механическое воздействие воздушной ударной волны детонационного взрыва облака ГПВС, так как при детонационном взрыве процесс горения в облаке ГПВС распространяется со сверхзвуковой скоростью и после окончания детонации от границы облака взрыва так же со сверхзвуковой скоростью начинает двигаться воздушная ударная волна. На сегодняшний день существует большое количество нормативных, методических документов позволяющих производить расчёты взрывов опасных веществ и оценить воздействие ударной волны на здания и сооружения расположенные в зоне распространения ударной волны взрыва. Все нормативные и методические документы представленные на российском рынке различны не только в расчётных показателях избыточного давления, но и в оценке воздействия поражающих факторов на здания и сооружения. Для проведения необходимой оценки величины воздействия ударной волны взрыва на рассматриваемое здание операторной, в данной работе использован большой спектр методик, позволяющих адекватно отразить физическую картину детонационного взрыва в начальный и конечный моменты времени действия ударной волны взрыва, а так же позволяющие при расчётах характеристик избыточного давления более полно учесть физико-химические и взрывоопасные свойства газопаровоздушной смеси вещества, провести анализ расчетных показателей избыточного давления на фронте ударной волны взрыва и профиля её амплитуды, определяемых с учетом изменения климатических факторов, характерных для Ханты-мансийского автономного округа, для определения степени влияния температуры воздуха и скорости ветра на создание поражающих факторов. 3 1. Расчет величины показателей избыточного давления взрыва ГПВС и их зависимость от различных факторов На величину показателей поражающих факторов взрыва облака ГПВС, образующегося над площадью пролива нефти, оказывает, влияет ряд факторов, таких как температура окружающего воздуха, скорость ветра, время испарения, площадь испарения, скорость испарения. Каждый из перечисленных факторов оказывает определенную степень влияния на масштабы ожидаемых расчетных показателей количества опасного вещества в облаке и величины поражающих факторов взрыва. Так от температуры окружающего воздуха зависит показатель скорости испарения с площади пролива, формирование облака ГПВС и направление его дрейфа зависит от показателя скорости ветра и т.д. В совокупности эти факторы позволяют характеризовать картину опасности климатических условий на данной территории на момент аварии, а при наличии прогноза метеоусловий на ближайшие дни позволяют осуществить возможный прогноз развития аварии. Учитывая, что величина показателей избыточного давления взрыва и размеры зон их действия зависит от количества вещества, участвующего в образовании поражающих факторов, проведем сравнительные расчеты, в которых показатель времени будет изменяться при постоянной температуре окружающего воздуха и постоянной скорости ветра. Для проведения сравнительного анализа, результаты расчетов зависимости величины показателей избыточного давления взрыва от времени испарения с площади пролива до момента проявления источника зажигания, выполненные в соответствии с методиками [1,2] представлены в виде графиков на рисунке 1 По линиям на данном графике можно проследить увеличение размеров зон избыточного давления с увеличением времени испарения с площади пролива (вертикальная линия показывает расположение здания операторной). При проведении расчетов за максимальное время испарения принимался 1 час. Площадь пролива соответствует полезной площади обвалования и составляет 2600 м2. Температура окружающего воздуха составляет 16,9˚С, что соответствует максимальной среднемесячной температуре наиболее теплого месяца - июля. Скорость ветра принималась равной 0 м/с (штиль) для определения наихудшего варианта развития аварии и наилучших условий для формирования облака ГПВС. Из представленной зависимости (см. рис. 1) видно, что при испарении с площади пролива в течение 5 минут (620 сек) с последующим взрывом испарившегося в течении этого времени облака ГПВС, здание операторной попадает в зоны слабых разрушений. При проявлении источника зажигания в зоне взрывоопасной концентрации паров нефти через 3120 секунд после пролива, что соответствует 52 минутам, здание операторной может попасть в зоны средних разрушений. По показателям графика можно проследить диапазон изменения размеров зон действия избыточного давления взрыва от времени испарения. Так размеры 4 зон расстекления (2 кПа) за промежуток времени испарения от 120 секунд до одного часа изменяются от 15м до 153 метров. Для определения зависимости изменения размеров зон поражающих факторов взрыва от температуры окружающего воздуха при постоянном времени испарения, принимаемой в соответствии с методикой [2] равной 1 часу, результаты расчетов представлены в виде графика на рисунке 2, на котором граница расположения здания операторной определена вертикальной желтой линией. Согласно расчетных показателей, выраженных в виде линий разного цвета, каждой из которых соответствует определенный показатель величины избыточного давления можно определить степень влияния температуры воздуха на скорость испарения нефти с площади пролива и величину показателей избыточного давления взрыва, в диапазоне температур от минус 50 до плюс 35 ˚С. Рисунок 1. График зависимости величины зон действия избыточного давления взрыва от времени испарения нефти с площади пролива (S=2600 м2) В соответствии с результатами расчетов, в случае возникновения аварийной разгерметизации резервуара РВС-3000 и образовании площади пролива по всей территории обвалования при температуре окружающего воздуха выше минус 24 ˚С, и испарения нефти в течении часа, возникает риск попадания здания операторной в зоны средних разрушений, при скорости ветра – 0 м/с. При повышении температуры воздуха выше плюс 15 ˚С , с учетом выше перечисленных условиях скорости ветра и времени испарения, здание операторной может попасть в зоны средних разрушений. И при температуре воздуха выше плюс 34 ˚С здание может попасть в зоны сильных разрушений. Представленный график на рисунке 2 наглядно показывает прямую зависимость величины показателей избыточного давления от температуры 5 окружающего воздуха от которой зависит скорость испарения нефти с площади пролива. На показатель массы паров, испарившихся с площади пролива большое влияние оказывает показатель скорости ветра. Если в предыдущем графике мы учитывали наихудшие условия развития аварии при скорости ветра равной 0 м/с с целью формирования максимальной массы паров нефти в облаке ГПВС над площадью пролива, то сейчас, на основании расчетных показателей наглядно можем проследить зависимость величины расчетного радиуса облака ГПВС от скорости ветра и влияние скорости ветра на величину показателей избыточного давления взрыва. Для этого выполним ряд расчетов с соблюдением следующих условий: температура воздуха и время испарения нефти с площади пролива неизменны и составляют 16,9˚С и 1 час соответственно. Результаты расчетов воздействия скорости ветра на формирование и радиус облака ГПВС над площадью пролива, представлены в виде графика на рисунке 3. По графику можно проследить зависимость радиуса облака ГПВС испарившейся с площади пролива в течении часа от скорости ветра. Рисунок 2. График зависимости величины показателей избыточного давления взрыва от температуры окружающего воздуха, при постоянном времени испарения (3600 с). 6 Рисунок 3. График зависимости рассеивания облака ГПВС от скорости ветра Таблица Учитывая, что показатели избыточного давления взрыва зависят от массы паров принимающих участие при взрыве, можно проследить насколько велика, может быть разница ожидаемых показателей величины поражающих факторов в зависимости от скорости ветра в момент аварии. Для этого проведем ряд расчетов в соответствии с методикой [1] с привязкой к проектным решениям рассматриваемого объекта, т.е. площадь пролива в соответствии с проектом составляет 2600 м2, расстояние до рассматриваемого здания операторной 24 м, температура воздуха 16,9˚С, время испарения в соответствии с методикой [2] составляет 1 час. Зависимость величины показателей радиусов зон действия поражающих факторов избыточного давления взрыва облака ГПВС от скорости ветра, полученной на основании расчетных показателей, выполненных с учетом рассеивания облака (см. рис.3) в виде графика представлена на рисунке 4 (вертикальная линия показывает расположение здания операторной). Расчетные участки на графике отмечены точками. По показателям данного графика можно проследить, что при расчетных погодных и временных условиях существует риск попадания здание операторной в зоны слабых разрушений до показателя скорости ветра, равного 5,3-5,4 м/с. 7 Рисунок 4. График зависимости радиусов действия поражающих факторов избыточного давления от скорости ветра Представленные графические показатели, позволяют реально оценить ожидаемый масштаб аварии с учетом степени воздействия факторов, влияющих на показатели величины избыточного давления возможного взрыва на здание операторной. На основании анализа расчетных показателей, представленных на рис. 1 – 4, можно сделать вывод, что наиболее неблагоприятными условиями для развития аварии связанной с взрывом облака ГПВС испарившейся с площади пролива, будет летний период, при температуре окружающего воздуха выше плюс 15 ˚С, при условии штиля, когда появляется риск попадания здания операторной в зоны средних разрушений, а при повышения температуры воздуха выше 35 ˚С, что соответствует абсолютному максимуму месяца июня, здание может попасть в зоны сильных разрушений, при условии, что испарение будет происходить не менее 1 часа. Но с увеличением скорости ветра при максимальной температуре воздуха плюс 35 ˚С, показатели опасности риска аварии заметно снижаются и уже при силе ветра 0,5 м/с рассматриваемое здание операторной попадает в зоны средних разрушений, а при ветре 3 м/с в зоны слабых разрушений. Учитывая, что в соответствии с климатической характеристикой рассматриваемого района среднемесячная скорость ветра июля составляет 3,4 м/с, а также восточное направление преобладающего ветра, можно сказать, что риск попадания здания операторной в зоны действия поражающих факторов с учетом показателей климатических условий, ничтожно мал. 8 Сравнительный анализ расчетных показателей зон действия поражающих факторов избыточного давления, при возникновении взрыва облака ГПВС испарившегося с площади пролива, при температуре воздуха плюс 35 ˚С, с учетом изменения силы ветра, представлен на рисунке 5. Рисунок 5. График зависимости изменения размеров зон действия поражающих факторов избыточного давления при температуре окружающего воздуха плюс 35 ˚С Учитывая расположение здания операторной относительно резервуаров, с привязкой к частям света, здание расположено на 64˚ в восточном направлении относительно ближайшего резервуара, что позволяет сделать вывод, что, учитывая преобладающие направления ветра в летний (июль, северное) и зимний (январь, восточное) периоды, здание расположено на подветренной стороне, что в свою очередь снижает риск его попадания в зону дрейфа облака ГПВС. Вывод: Анализ расчетных показателей изменения величины избыточного давления взрыва облака ГПВС, испарившегося с площади пролива , представленных на рисунках 1-5, позволяет оценить величину диапазона в котором происходит изменение численных показателей поражающего фактора взрыва, при изменении одного из факторов, влияющего на ход развития аварии. По графикам можно проследить и предсказать ход изменения развития аварии, а соответственно и степени воздействия избыточного давления на здание операторной, с учетом изменения величины показателей одного из факторов, оказывающих влияние на развитие аварии, в момент времени ее возникновения. При построении графиков, размеры зон действия поражающих факторов 9 откладывались от оси бровки обвалования, предполагая, что источник зажигания появляется на границе площади испарения, что в свою очередь является отступлением от требований используемых методик т.к. согласно известных методик, предусматривающих расчеты взрыва облака ГПВС с площади пролива, радиусы зон действия избыточного давления откладывается от геометрического центра площади обвалования. Учитывая данные требования в нашем случае, принимая к вниманию значительные размеры периметра обвалования, зоны действия поражающих факторов не выйдут за пределы границы обваловки и при максимальной аварии, здание операторной может попасть только в зоны расстекления, что в какой-то мере является занижением возможных последствий взрыва ГПВС. Рассмотренные в разделе различные варианты развития взрыва на рассматриваемом объекте позволили определить наихудшие условия для формирования облака ГПВС над площадью разлива и возникновения его взрыва, для получения максимальных показателей поражающих факторов. Целью дальнейших расчетов, является определение величины взрывной волны при условии проявления самых неблагоприятных условий, с целью определения максимально гипотетически опасного аварийного сценария. Для проведения расчетов, использовались условия и методика расчета, предусмотренные методикой [1] «Рекомендации по обеспечению пожарной безопасности объектов нефтепродуктообеспечения, расположенных на селитебной территории» разработанной АО ВНИИПИНЕФТЬ с участием специалистов ГУГПС, ВНИИПО, МИПБ МВД РФ по заказу Главнефтепродукта ОАО НК Роснефть, согласованной письмом Главного управления Государственной противопожарной службы МВД России № 20/3.2/ 2125 от 12 09.96 г. и а также утвержденных и введенных в действие приказом Министерства топлива и энергетики РФ, от 01.08.97 г. При проведении расчетов также использованы методики ПБ 09-540-03 «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств». 2. Расчёт величины воздействия избыточного давления возможного взрыва Учитывая большой диапазон изменения величины показателей зон действия поражающих факторов взрыва и степень их изменения от различных факторов, для проведения дальнейших расчетов принимаем условия, предусмотренные требованиями методики [1], т.е. подвижность воздуха принимаем равную нулю, а температура пролитой нефти соответствует среднемесячной температуре наиболее жаркого месяца – июля (16,9 ˚С). Расчёт показателей избыточного давления по сценариям: 1-взрыва «газовой шапки»; 2-взрыва облака ГПВС испарившегося с площади пролива проводился в соответствии с методикой [2], по сценарию №1 проводился с учётом проведённых расчётов в соответствии с методикой [1]. 10 Использование двух методик для расчёта показателей избыточного давления [1,2] позволяет получить более реальную физическую картину взрыва облака ГПВС в зависимости от погодных условий в момент прогнозирования аварийного сценария. Для выявления наиболее максимально возможного нанесения повреждений зданию от воздействия ударной волны взрыва при реализации аварийных сценариев №№1,2 связанных с взрывом облака ГПВС над площадью пролива и в свободном объёме резервуара. При рассмотрении развития аварии по сценарию №1 мы принимаем, что авария произойдёт при наиболее неблагоприятных условиях принятых выше, при которых масса облака будет максимальна в течение принятого времени испарения, которая способствует созданию максимальных поражающих факторов. При принятых условиях, учитывающихся при проведении расчётов, показатели облака ГПВС составят: Радиус облака ГПВС составит 66 м. Масса испарившихся паров составит 567,8 кг. Зоны поражающих факторов при детонационном взрыве облака ГПВС над площадью пролива представлены в таблице 1, а так же в графическом виде представлены на рисунке 6. (вертикальная линия показывает расположение здания операторной). Таблица 1. Показатели воздействия поражающих факторов Радиус от Показатель избыточного границы Степень поражения давления, кПа обвалования ,м Зоны разрушения зданий Полное разрушение 100 10,4 Тяжёлые повреждения, 70 15,3 здание подлежит сносу Средние повреждения, возможно восстановление 50 26,3 здания Разрушение оконных проёмов, 12 76,6 легкосбрасываемых конструкций Растекление 2 153,2 Зоны поражения людей Летальный исход. 70 15,3 Летальный исход на 50%, 50% серьёзные повреждения 55 19,4 барабанных перепонок и лёгких. Летальный исход возможен, 24 40,5 11 Степень поражения Показатель избыточного давления, кПа Радиус от границы обвалования ,м травмы – серьёзные Летальный исход маловероятен; травмы – временная потеря слуха Зона безопасности 16 69,5 8,3 112,4 Рисунок 6. График распределения избыточного давления при взрыве облака ГПВС с площади пролива В результате проведённых расчётов, по сценарию №1, воздействия ударной волны взрыва на здание операторной при наиболее неблагоприятных условиях, показатель избыточного давления на фронте ударной волны взрыва составит 52 кПа. Показатель избыточного давления (52кПа) соответствует границе перехода из зоны средних разрушений в зону слабого разрушения. Зона слабого разрушения характеризует разрушение меньшей части несущих конструкций, большая часть несущих конструкций сохраняется и лишь частично деформируется, здание выводиться из строя, но может восстановиться. Зона среднего разрушения характеризует разрушение меньшей части несущих конструкций. Большая часть несущих конструкций сохраняется и лишь частично деформируется. Здание выводиться из строя, но может быть восстановлено. 12 При рассмотрении развития аварии по сценарию №2 , взрыв «газовой шапки» в резервуаре, принимается, что при возникновении аварии погодные условия, такие как скорость ветра и температура окружающего воздуха не повлияют на массу облака ГПВС в свободном пространстве резервуара, принимая, что в течение года поражающие факторы от взрыва «газовой шапки» будут неизменны. В расчётах принимались следующие условия: - Степень заполнения резервуара составляет 80%, т.е. объем свободного пространства «газовой шапки» составляет 20% от всего объёма резервуара. Масса паров участвующих в создании поражающих факторов - 252 кг. Степень заполнения резервуара составляет 90%, т.е. объем свободного пространства «газовой шапки» составляет 10% от всего объёма резервуара. Масса паров участвующих в создании поражающих факторов - 126 кг. Зоны поражающих факторов при детонационном взрыве насыщенных паров нефти, содержащихся в объеме «газовой шапки» резервуара, при условии заполнения резервуара на 80 и 90%%, представлены в таблице 2, а так же в графическом виде представлены на рисунке 7. (вертикальная линия показывает расположение здания операторной). Таблица 2. Показатели поражающих факторов при взрыве «газовой шапки» РВС - 3000 Радиус от центра Показатель резервуара ,м Степень поражения избыточного При 80% При 90% давления, кПа заполнен заполнен ия РВС ия РВС Зоны разрушения зданий Полное разрушение 100 6,1 3,8 Тяжёлые повреждения, 70 8,9 5,6 здание подлежит сносу Средние повреждения, возможно восстановление 50 15,3 9,6 здания Разрушение оконных проёмов, 12 44,6 28,1 легкосбрасываемых конструкций Растекление 2 89,2 56,2 Зоны поражения людей Летальный исход. 70 8,9 5,6 Летальный исход на 50%, 55 11,2 7,02 50% серьёзные повреждения 13 барабанных перепонок и лёгких. Летальный исход возможен, травмы – серьёзные Летальный исход маловероятен; травмы – временная потеря слуха Зона безопасности 24 23,6 14,8 16 40,5 25,5 8,3 65,5 41,2 В результате проведённых расчётов по сценарию №2 воздействие ударной волны взрыва «газовой шапки»(см. рис. 7), при условии 80% заполнения резервуара, показатель избыточного давления на фронте ударной волны взрыва на границе размещения здания операторной, составит 22 кПа. 7,5 кПа соответственно Показатель избыточного давления (22кПа) соответствует зонам слабого разрушения, которое характеризует разрушение меньшей части несущих конструкций, большая часть несущих конструкций сохраняется и лишь частично деформируется, здание получает слабые разрушения (оконные проемы, внутренние перегородки), может быть восстановлено. При взрыве «газовой шапки» при условии 90% заполнения резервуара, показатель избыточного давления на фронте ударной волны взрыва на границе размещения здания операторной, составит 7,5 кПа. Показатель избыточного давления (7,5кПа) соответствует зонам расстекления, которое характеризует разрушение оконных проемов, несущие конструкций сохраняются. 14 Рисунок 7. График распределения избыточного давления при развитии аварийного сценария №2 взрыв «газовой шапки» резервуара РВС – 3000 На основании анализа показателей расчётов аварийных сценариев №№1,2 и показателей их воздействия на здание операторной, (см. рис.8, 9) принимаем, что оценку устойчивости строительных конструкций здания от воздействия ударной волны взрыва целесообразнее проводить от воздействия поражающих факторов при реализации возможного аварийного сценария №2, так как показатели избыточного давления на фронте ударной волны взрыва и степень ее воздействия на здание операторной значительно выше, показатели рассматриваемых аварийных сценариев №2. При проведении расчетов связанных с взрывом облака ГПВС с площади пролива, расстояние зон действия поражающих факторов откладывалось от границы обвалования, при этом расстояние до здания операторной составляет 24 м. При проведении расчетов связанных с взрывом «газовой шапки», расстояние зон действия поражающих факторов откладывалось от границы края резервуара, при этом расстояние до здания операторной составляет 34 м. Использование методик [1,2] позволяет нам получить экспресс оценку возможных повреждений здания, в случае его попадания в зоны поражающих факторов взрыва, позволяющих определить наиболее опасный сценарий для дальнейшего проведения оценки его воздействия на устойчивость строительных конструкций здания операторной с применением программного обеспечения ABAQUS. Для этого, чтобы получить наиболее полные показатели величины воздействия избыточного давления на конструкции здания, необходимые для выявления возможных повреждений (определения наиболее уязвимых частей конструкции здания), воспользуемся методикой [3] позволяющей более точно оценить воздействие избыточного давления взрыва с учетом его импульса. Целью дальнейших расчетов, является проведение расчета величины взрывной волны и ее амплитуды с использованием методики [3], для определения степени воздействия на строительные конструкции здания операторной определяемой с учетом величины показателя импульса взрывной волны. 3. Оценка воздействия ударной волны взрыва ГПВС на здание операторной На основании анализа расчетных показателей, для проведения расчетов с использованием методики [3] принимаем следующие условия: - Резервуар типа РВС – 3000 (заполнение на 80%) Опасное вещество – нефть; Класс опасности – 4; 15 - Плотность нефти – 830 кг/м3; Площадь испарения – 2600 м2; Температура воздуха - 35˚С; Время испарения – 1 час; Скорость ветра - 0 м/с (штиль); Вид окружающего пространства - 3. Средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк. Режим взрывного превращения – дефлаграция; Расстояние операторной до границы обвалования – 24 м; Расстояние от операторной до центра облака ГПВС – 43 м (соответствует расстоянию до геометрического центра ближайшего резервуара). Принимаемая для проведения дальнейших расчетов методика [3] позволит определить не только величину избыточного давления, но и такие показатели как импульс ударной волны и время его действия, что позволит определить разрушительное воздействие ударной волны на здание, определяемой с учетом прочностных показателей строительных материалов и проектных характеристик рассматриваемого здания операторной. Принимая к вниманию, что методика проведения расчетов по оценке последствий аварийных взрывов, предусмотренная требованиями [3], позволяет дать более детальные результаты ожидаемых последствий с учетом возрастающих показателей возрастания вторичной волны, а так же импульса ударной волны, значения которых отличны от ранее использованных методик [1,2]. Для проведения оценки показателей расчетов воздействия максимально неблагоприятной аварии на рассматриваемое здание операторной были приняты следующие отступления: - для получения максимального объема облака ГПВС, температура окружающего воздуха принимаем равной плюс 35˚С, в отличии от среднемесячной температуры наиболее жаркого месяца июля, равной 16,9˚С, принимаемой при расчетах в п.7.3. - за точку отсчета эпицентра взрыва принимаем геометрический центр ближайшего к зданию операторной (аварийного) резервуара, с учетом условий проявления источника зажигания (искры) в результате обрушения его металлоконструкций, как следствие аварийной разгерметизации, через один час после образования площади пролития соответствующей полезной площади обвалования, равной 2600 м2. При моделировании взрыва облака ГПВС принималось, что ударная волна взрыва, действующая на здание, может быть определена независимо от реакции самого объекта на это воздействие, и что само здание является жёстким твёрдым телом, на котором происходят процессы отражения и дифракции взрывных волн, приводящие к изменению первоначальной картины течения среды за фронтом ударной волны взрыва. Это связанно, прежде всего, с 16 большим различием между плотностями среды, по которой распространяется ударная волна взрыва (т.е. воздухом) и большинства твёрдых тел, испытывающих воздействие ударной волны взрыва, а так же с большим различием акустических импедансов воздуха и твёрдых тел. Поэтому данные предположения вполне могут быть использованы при решении нашей задачи по расчёту устойчивости строительных конструкций здания от воздействия ударной волны взрыва. Для длинных ударных волн различают две характерные фазы взаимодействия с неподвижным объектом: дифракции и установившегося (медленно изменяющегося) обтекания. В фазе дифракции весьма малой длительности в процессе охвата здания волной, нагрузки от избыточного давления нестационарные. В связи с эффектом отражения максимальные давления (показатель избыточного давления фазы разряжения) на элементы конструкции здания значительно превышают избыточное давление на фронте проходящей ударной волны, однако они быстро убывают, достигая величины, так называемого «застойного» давления, соответствующего началу второй фазы. Нагрузки в фазе установившегося обтекания играют решающую роль при длинных ударных волнах. Картина взаимодействия таких волн с объектами довольно сложна. Минимальное значение числа Маха на фронте ударной волны взрыва, начиная с которого местная скорость обтекания достигает скорости звука, называется критическим Мкр. При докритических числах Маха существенную роль играют свойства вязкости воздуха, и кроме нормального давления на поверхность объект испытывает воздействие касательных напряжений (сил трения), определяемых состоянием пограничного слоя и числом Рейнольдса. Обычно у поверхности плохообтекаемого объекта пограничный слой бывает смешанный: на одних участках – ламинарный, а на других – турбулентный. По мере возрастания шероховатости поверхности и числа Рейнольдса область турбулентности расширяется, что приводит к уменьшению сил трения. Тыльная грань (задняя часть здания и тамбура) рассматриваемого здания представляет плоский срез. В данном случае за тыльными поверхностями образуется так называемая мертвая зона с пониженным давлением («донный» эффект), в которой происходит беспорядочное вихревое движение воздуха. Донным эффектом, также, обусловлено резкое снижение давления при переходе через значение М~1. Следовательно, фаза установившегося обтекания не является строго стационарной из-за явлений турбулентности в пограничном слое и «донного» эффекта, которым свойственны пульсационные изменения скорости. Таким образом, скорости в каждой точке у поверхности тела могут характеризоваться лишь как некоторые усредненные по времени величины. В момент падения фронта ударной волны на фронтальную стенку (передняя грань здания и тамбура) происходит нормальное отражение волны и соответствующее возрастание давления. За счет волн разгрузки, распространяющихся от ребер передней грани здания, давление на ней будет падать и через некоторое время устанавливается равным сумме избыточного 17 давления в падающей волне и скоростного напора (давление торможения потока). Время ослабления давления примерно равно времени пробега волны разрежения от ребер передней грани до ее середины и обратно. При прохождении фронта ударной волны вдоль кровли и боковых стенок здания появляются завихрения, связанные с обтеканием потока газа передней грани. Эти завихрения и поток газа из области повышенного давления перед передней гранью несколько снижают давление на кровле и боковых гранях по сравнению с давлением в проходящей волне. Достигнув задней стенки здания и тамбура, ударная волна обтекает их и движется вдоль задней грани, при этом также образуются завихрения. Через некоторое время после схлопывания затекающей волны, в центре задней грани на ней устанавливается примерно постоянное давление, несколько меньшее давления в проходящей ударной волне за счет завихрений, появляющихся при затекании газового потока за заднюю грань рассматриваемого здания. Для определения показателей профиля амплитуды ударной волны и времени её воздействия на стенки здания (время пробега волны) проведем необходимые расчеты с использованием методик [3] РД 03-409-01. Принимая при расчетах в качестве исходных данных условия, рассмотренные в начале данного раздела, получаем: - Избыточное давление (P) действующее на здание составляет 63кПа с импульсом (I) 693 Па*с. Время воздействия ударной волны на стенки здания составит 17 мс. - Ударная волна взрыва делиться на две фазы: фаза сжатия, фаза разряжения. Для определения профиля амплитуды ударной волны взрыва необходимо знать величину волны разряжения и сжатия, а так же время их действия. - Показатель избыточного давления фазы сжатия составляет (Р-) 15,3 кПа, время его воздействия составляет (T-) 0,01495мс. - Показатель избыточного давления фазы разряжения составляет (Р+) 73,5 кПа, время его воздействия составляет (T+) 0,0025 мс. - Амплитуда ударной волны при взрыве облака ГПВС будет иметь вид, показанный на рисунке 8. 18 Рисунок 8. Амплитуда ударной волны Согласно полученным результатам, учитывая характеристики действия ударной волны, величина избыточного давления на границе места расположения рассматриваемого объект, соответствует зонам полных разрушений, при этом величина импульса соответствует зонам сильных разрушений.. Для определения устойчивости строительных конструкций здания от воздействия нагрузок, создаваемых ударной волной с учетом расчетных показателей времени воздействия импульса и его амплитуды, окончательные расчеты проведем с использованием расчетной программы ABAQUS. Для проведения оценки воздействия ударной волны избыточного давления на строительные конструкции здания с учетом времени ее воздействия (17 мс), а также визуализации и детального рассмотрения деформации здания при напряжённо деформированном состоянии в результате воздействия расчетной величины избыточного давления ∆Рф = 63 кПа и показателя импульса I= 693 Па с, с учетом возрастания показателя вторичной волны равной ∆Рф=73,5 кПа (см. рис.11), полученные результаты обрабатываем с использованием программного продукта ABAQUS. Для проведения оценки воздействия взрыва на строительные конструкции рассматриваемого здания, в данной программе предварительно выполнена модель здания операторной, в 19 соответствии с проектом, с целью проведения подробной оценки воздействия ударной волны взрыва. ABAQUS является одним из лидеров в области инженерных прочностных расчетов. ABAQUS имеет возможность решать практически любые сложные нелинейные задачи с учетом реального поведения конструкции при различных типах нагружения. Здание операторной моделировалось в системе CAD, являющаяся приложением к программе ABAQUS, в соответствии с исходными данными представленными выше. Все размеры и материалы стенок и перекрытий были выдержанны в соответствии с запроектированным зданием. Модель здания полностью соответствует проекту. Амплитуда нагрузки ударной волны задавилась в соответствии с проведёнными расчётами, представленными выше (см. рисунок 8). Нагрузка равномерно распределялась по фронтальной стене здания с учётом последующих завихрений потока на боковых и тыльных стенах здания и соответственно происходит снижение давления на стены. Результаты воздействия ударной волны на фронтальную стену операторной, с отражением напряжено деформированного состояния конструкции от ее воздействия, представлено на рисунке 12. Расчёты напряжённо-деформированного состояния конструкции здания проводились на модуле abaqus/explicit к программному продукту ABAQUS, который позволяет проводить расчёты воздействия нагрузки за определённый период времени. Амплитуда ударной волны задавалась в соответствии с расчётной представленной на рисунке 8. Данные по свойствам строительных материалов использовались в соответствии со справочной литературой представленные в таблице 3. Таблица 3. Основные свойства строительных материалов Модуль Юнга Коэффициент Плотность Предел (Модуль Пуассона ρ, кг/м3 Материал прочности упругости) σВ, МПа μ Е, МПа Кирпич 1,5 3,0 х 104 0,25 1800 3 Бетон 7,5 19 х 10 0,2 2500 Результаты расчётов воздействия ударной волны взрыва с учетом времени ее действия на стенки здания показывают напряжённо деформированное состояние здания в определенный промежуток времени. Цветовая гамма на представленных рисунках, отображает напряжения (МПа), действующие на стенки здания в определённый период времени в результате воздействия на неё ударной волны взрыва. Цветовая гамма соответствует шкале напряжений представленной в верхнем левом углу рисунка. Серый оттенок свидетельствует о том, что данная область близка к разрушению (к пределу прочности материала). Красные цвет участков здания свидетельствуют о создании критического напряжения, близкого к пределу прочности материала, 20 превышение показателя которого может привести к полному или частичному разрушению конструкции. На рисунке 9 можно визуально проследить воздействие набегающей волны обтекания на конструкции здания, когда максимальное напряжение, с промежутком времени воздействия ударной волны на стены здания равного 2,05 мс (0,00205с), создается на границе оконного проема входного тамбура (наиболее напряженный участок выделен красным цветом). Величина давления на данном участке составляет от 2,80 до 2,08 МПа, что превышает показатель предела прочности материала (кирпич) в 1,86 раза. В соответствии с показателями напряжённо деформированного состояния здания показанного на рисунке 9 можно дать заключение, что данный участок кирпичной кладки может быть разрушен. Направленное воздействие ударной волны на фронтальную стену операторной создает напряженные участки (на рисунке в виде пятен с зеленоватым оттенком) по верхним углам оконных проемов и нижним углам здания в местах сопряжения кладки с фундаментом. По цветовой гамме, соответствующей определенному показателю создаваемого давления на данном участке, обозначение которых приведено в правом углу рисунка, можно определить, что данные показатели давления не являются критическими для строения, т.к. числовой показатель давлений соответствует диапазону давления от 0,57 до 0,95 МПа, что значительно ниже предела прочности материала. По боковым стенам здания, до уровня внутренней несущей стены происходит равномерное распределение напряжения по плоскости стен с величиной давления 0,38-0,76 МПа, которое также не является критичным. Рисунок 9. Напряженно-деформированное состояние модели здания в момент времени t = 0.00205 c. , при ∆Рф=63 кПа с импульсом I=693 Па*с. Масштабный коэффициент деформаций k = 500. 21 На основании анализа расчетных показателей программного обеспечения ABAQUS, с использованием методики [4]оценки последствий взрывов, можно сделать вывод, что в результате воздействия расчетной ударной волны при максимально гипотетической аварии, здание операторной выдерживает кратковременное воздействие ударной волны с частичными разрушениями, поддающихся восстановлению. В результате воздействия ударной волны взрыва до 12 % здания может получить разрушения. Расчетный процент разрушения получат фронтальные части несущей стены в районе оконных проемов и тамбура, что было выявлено при проведении моделированного расчёта. Однозначно последует разрушение наименее прочных конструкций здания: дверных и оконных проемов, а также срыв кровли крыши. В помещении операторной существует риск гибели до 20% персонала, до 30% могут составить санитарные потери (поражение осколками стекол и оконных проемов) в результате частичного вовлечения ударной волны в помещение операторной комнаты и комнаты мастеров. Необходимо отметить тот факт, что при проведении расчетов, умышленно созданы максимально неблагоприятные условия протекания аварии, для получения максимально возможных негативных последствий, в частности, эпицентр взрыва облака рассматривался на расстоянии геометрического центра резервуара (43 м), а в соответствии с требованиями РД 03-409-01, на основании которой производились расчеты, центр облака ГПВС принимается в точке, соответствующей геометрическому центру обвалования т.е. в нашем случае это расстояние соответствует 61 метрам. С этой целью, в данной работе представлены результаты расчетов, выполненных в соответствии с требованиями данного документа, для того чтобы визуально показать, что показатели поражающих факторов, в соответствии с которыми следует принимать соответствующие решения будут значительно отличаться от показателей максимально возможного аварийного сценария. Результаты расчетов воздействия на здание операторной ударной волны взрыва ГПВС, испарившегося с площади пролива нефти в пределах проектного обвалования, на протяжении одного часа, при температуре окружающего воздуха в диапазоне от минус 35˚С до плюс 35˚С, скорости ветра равного нулю (полный штиль) и расстоянии от геометрического центра облака ГПВС до здания операторной 61 м, представлены в графике на рисунке 10. При сравнении показателей величины избыточного давления и показателя импульса с показателями константами, можно заметить, что согласно результатов расчетов, выполненных в соответствии с требованиями РД 03-409-01 здание операторной, максимально попадает в зоны средних разрушений. 22 Рисунок 10. График экспоненциальной зависимости показателей избыточного давления и величины импульса волны давления от температуры окружающего воздуха. 4. Вывод В соответствии с результатами анализа проведенных расчетов, в качестве рекомендаций, для принятия решений по обеспечению безопасности персонала, принимающего участие в работе рассматриваемого объекта, а также принятия возможных решений по снижению возможных негативных последствий в результате развития аварийного взрыва на его территории можно привести требования, выдвигаемые Маршалом в работе [5] для сохранности персонала в здании в результате воздействия на него ударной волны взрыва: По результатам анализа показателей расчётов воздействия ударной волны взрыва на конструкцию здания операторной, можно сделать вывод, что оценка производилась при возникновении максимальной аварии с взрывом облака ГПВС над площадью пролива, расположение здания операторной на расстоянии 43 метров от центра облака, расположенного над геометрическим центром резервуара, принималось с целью получения максимальных показателей избыточного давления взрыва на границе рассматриваемого здания, учитывая, что авария произойдёт при совокупном проявлении неблагоприятных погодных условий. Температура воздуха принималась равной 35оС, что соответствует максимальной температуре наиболее жаркого месяца, июля, в соответствии с результатами предварительного анализа расчетных показателей, представленных на графике зависимости распространения зон избыточного давления взрыва от температуры окружающего воздуха. Скорость ветра в 23 момент аварии принималась равной нулю (штиль), с целью получения максимальной массы облака ГПВС участвующего в создании поражающих факторов. При максимально возможных показателях избыточного давления, а так же амплитуды ударной волны взрыва здание получает 12% повреждения конструкции. При таких повреждениях рассматриваемое здание операторной характеризуется как здание, которое «выдержало» аварию без полных потерь среди персонала, расположенного внутри здания с восстановлением здания без предварительного сноса. 5. Список использованной литературы: 1. А.А. Богач, CAD-FEM GmbH, Москва «Воздействие взрыва на здания и сооружения». 2. Взрывные явления. Оценка и последствия: В 2-х кн. Пер. с англ./Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др. Под ред. Зельдовича Я. Б., Гельфанда Б. E. – M., Мир, 1986 – 319 с. 3. Военно-инженерный университет, факультет гражданской обороны, «Общие понятия об устойчивости работы объектов экономики и жизнеобеспечения населения» 4. ГОСТ Р 51901.11-2005 Менеджмент риска. Исследование опасности и работоспособности. Прикладное руководство 5. Григорян С.С. О действии длинных ударных воли на твердое 6. тело//ПМТФ. – 1963. – № 3. – С. 37–49. 7. Козлитин A.M., Попов А.И., Козлитин П.А. Теоретические основы и практика анализа техногенных рисков. Вероятностные методы количественной оценки опасностей техносферы. – Саратов, 2002 – 179 с. 8. Маршал В. Основные опасности химических производств М, Мир, 1989-672 с. 9. ПБ 09-540-03 «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» 10. Программный продукт ABAQUS. 11. Рашитов Р.Ф., Тляшева Р.Р. «Применение компьютерного анализа для оценки влияния ударных волн на операторные здания». 12. РБ Г-05-039-96 «Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия» 13. Рекомендации по обеспечению пожарной безопасности объектов нефтепродуктообеспечения, расположенных на селитебной территории. 14. РД 03-409-01 Методика Оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (с изменениями и дополнениями). 15. Физика взрыва/Под ред. Л. П. Орленко. – Изд. 3-е, переработанное. – В2 т. – M.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 832 с. 24
