Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

отделения (Эдмонтон, Канада, 1982 г.). Вследствие разрушения

измерителя давления произошел выброс 220—5000 кг этилена

из технологической системы, находившейся под давлением

10 ГПа. Утечка продолжалась в течение нескольких минут в

помещение размерами 30X15X10 (4500 м

). При взрыве само

здание было разрушено полностью, разрушено расположенное

вблизи здание операторной, в радиусе около 7 км в зданиях

были выбиты стекла.

Взрыв оценивался ТНТ эквивалентом 400—700 кг. Значи-

тельные различия в оценке массы выброшенного в помещение

этилена и ТНТ эквивалента объясняются неточностью расчета.

По уровню разрушения в области низких давлений (по выби-

тым стеклам) взрыв можно оценивать значительно большим

ТНТ эквивалентом. При возможной доле участия газа во

взрыве 0,5 и указанной выше массе выброшенного этилена рас-

четный эквивалент взрыва составляет 0,54—12 т ТНТ.

По обеъму помещение экстракции примерно в три раза

превышало помещение компрессорной, однако по масштабам и

характеру разрушений в областях высоких давлений взрывы

паров бензина и этилена были адекватны, что обусловлено

приблизительным равенством энерговыделения при этих двух

взрывах.

Аналогичное сходство по уровням и характеру разрушений

отмечается также при взрывах парогазовоздушных смесей (при

атмосферном давлении) в замкнутых объемах технологической

аппаратуры больших размеров. Например, при взрыве паров

органического продукта в подземном железобетонном резервуа-

ре вместимостью 45 тыс. м

(Шеффилд, Англия, 1973 г.), нахо-

дящемся в ремонте, пострадало 32 человека. Радиус серьезных

разрушений составил «500 м; отдельные элементы конструк-

ции массой до 500 кг были выброшены, бетонная крыша резер-

вуара подброшена вверх, развернулась и обрушилась внутрь

резервуара; разрушено 60 автомобилей. Сообщается, что взры-

воопасная смесь образовалась в результате испарения 330 кг

жидкости. Смесь паров вещества с воздухом воспламенилась

при плазменной резке металла.

При оценке, взрывных явлений в резервуарах по наблюдени-

ш отдельных исследователей ударная волна взрыва стехиомет-

шческой смеси углеводородов составляет 20 кг на 1 тыс. м

1арогазовоздушной смеси в предположении, что только 2,5%

епловой энергии горения переходит в энергию ударной волны.

)днако эта оценка не является достаточно обоснованной. Доля

[ерехода энергии горения в энергию ударной волны находится

пределах от 0 до 40% определяется режимом взрывного прев-

ащения смеси. При этом в описанном выше случае наиболь-

шй ТНТ эквивалент мог составить «1,5 т, что больше соот-

етствует реальным условиям разрушений. При доле расхода

нергии сюрания на формирование ударной волны 2,5% экви-

алент такого же взрыва мог составить «90 кг ТНТ, что мень-

3 Л1

ше соответствует наблюдаемым масштабам разрушений. На

практике долю участия горючих веществ во взрыве в смесях

с воздухом принято принимать в пределах 0,3—0,5 (на основа-

нии результатов исследований).

5.6. ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ПЕРЕГРЕТЫХ ЖИДКОСТЕЙ

В ТРУБОПРОВОДАХ БОЛЬШОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ

Наиболее дешевый вид транспорта и нефтепродуктов —

трубопроводные системы. Большая часть магистральных трубо-

проводов нашей страны находится в эксплуатации длительное

время: более 20 лет — 36% и от 15—20 лет — около 30%. А это

значит, что они требуют повышенного внимания к обеспечению

их надежности. При строительстве новых трубопроводов также

необходим комплекс рациональных мер, направленных на сни-

жение опасности возможных аварий. Однако в настоящее вре-

мя многие продуктопроводы (особенно сжиженных газов)

представляют потенциальную опасность крупномасштабных

взрывов и пожаров.

5.6.1. Катастрофа на магистральном продуктопроводе

и железной дороге под Уфой

Страшная трагедия произошла в ночь с 3 на 4 июня 1989 г.

на перегоне между станциями Казаяк и Улу-'Геляк на 1710 км

Башкирского отделения Куйбышевской железной дороги.

Местность здесь холмистая, покрытая лесным массивом, преи-

мущественно с лиственными породами деревьев. Склон бли-

жайшего холма от железной дороги крутой, прорезан глубоким

оврагом. Там, где овраг пересекала железная дорога, находи-

лась водосточная труба. В месте катастрофы под насыпью,

на которой уложено железнодорожное полотно (рис. 5.13),

проходил магистральный продуктопровод, предназначенный для

перекачки под рабочим давлением 3,5—3,8 МПа углеводород

ной смеси, состав которой приведен ниже:

Углеводород

Температура

кипения, С

Кратность

увеличения

объёма

Предел взрывае-

ИОСТИ, %

Содержа

ние в сме

Температура

кипения, С

Кратность

увеличения

объёма

нижний

верхний

си, %

Метан —161 442 5,3 15,0 0,02

Этан —89 311 3,0 12,5 2

Пропан —42 273 2,2 9,5 36

Изобутаи —Ю 229 1,8 8,4 15

«-Бутан —0,5 236 1,9 8,5 27

Изопентан 27,8 194 1,4 7,6' 7

я-Пентан 36 206 1; 5 7,8 6

Гексав 69 182 1,2 7,5 7

Длина трубопровода составляла 1852 км, диаметр трз

720 мм (диаметр проходного сечений 700 мм). Плотность пер

Рис. 5.13. Схема расположения объек-

тов на месте катастрофы: Место

/— железная дорога (стрелкой показано катастрофы

западное направление); 2 — станция Каза-

як; 3

—

станция Улу-Теляк; 4

•—

место раз-

рушения трубопровода; 5

—

магрстрэльный

продуктопровод (стрелкой показано направ-

ление движения продукта)

качиваемой жидкости при температуре 20 °С могла быть

565 кг/м

Выброс сжиженного нефтяного газа (СНГ)—следствие раз-

рушения продуктопровода на участке в 900 м от полотна желез-

ной дороги (рис. 5.14). Разрыв произошел в верхней части

трубы. Длина раскрытой полости вдоль трубы составляла

1989 мм, максимальная ширина — 1060 мм (рис. 5.15). Общая

площадь раскрытия превышала двойную площадь проходного

сечения трубопровода (0,77 м

), что создавало благоприятные

условия для свободного выхода жидкости в атмосферу как из

восточного, так и из западного участков системы. В месте раз-

рушения была замечена наружная вмятина круглой формы

диаметром 10—12 мм, совпадающая по направлению с линией

разрыва. Там же на наружной поверхности трубы обнаружено

овальное углубление длиной 35 мм и шириной 5—6 мм, сред-

няя часть которого совпадает с линией разрыва, и две вмятины

меньших размеров.

• - продуктопровод

• $ -нефтепровод

лэп

Ф - место повреждения

трубопровода

1С. 5.14 Схема расположения населенных пунктов, подвергшихся воздейст-

ю ударной волны (наименование населенных пунктов и расстояния от них

до места взрыва приведены в табл. на е. 200)

-1006

Рис. 5.15. Разрушенный трубопровод (вид сверху)

Полагают, что первоначально в месте вмятины произошло

локальное повреждение трубы с выбросом продукта в атмосфе-

ру. В результате интенсивного испарения легких углеводородов

произошло переохлаждение металла, что повлекло за собок

обширное разрушение трубопровода и интенсивное истечение

продукта. Протяженность трубопровода между смежными на

сосными станциями составляла 555 км. Отключающая армату

ра с электроприводом по трассе была установлена через 10—

13 км. Из-за отсутствия дистанционных средств управления 1

сигнализации о снижении давления в системе не удалось опе

ративно блокировать аварийный участок трубопровода.

В газетах писали, что сигналы опасности не сработал!

Вместо того, чтобы найти место утечки и предпринять какие-т

меры, на нагнетательной станции лишь увеличили давление

трубопроводе, так как решили, что оно упало, отклонилось с

нормы. А тем временем газ заполнял ложбину у железнс

дороги. Пары углеводородов распространились над поверхн

стью земли и могли достичь железной дороги. Идущие навстр

чу друг другу поезда, по-видимому, вызвали турбулизацк

газовоздушной смеси, ее воспламенение. В I ч 10 мин местно

времени прогремел взрыв чудовищной силы, пламя взметь

лось на огромную высоту.

В зоне взрува оказались два пассажирских поезда, в ко-

рых находились 1284 человека, в том числе 383 ребен

Воздушной ударной волной было оторвано от поездов и сб]

шено с пути 11 вагонов, из которых 7 были полностью раз

шены, а остальные обгорели снаружи и полностью выгор<

-194

внутри. Многих пассажиров выбросило в окна охваченных

пламенем вагонов.

Один из немногих уцелевших проводников сообщил, что

запах газа на приближавшемся к месту выброса поезда чувст-

вовался до взрыва. То, что произошло потом, трудно описать:

в щепки разлетелись все вагонные перегородки, состав вспых-

нул, как факел. При катастрофе погибли или получили разной

степени тяжелые повреждения 1224 человека; на месте аварии

найдено 258 трупов (из них 86 — в степени обугливания).

По характеру разрушений на железной дороге можно су-

дить, что избыточное давление взрыва облака было очень высо-

ким. Нельзя исключить и детонацию в отдельных локальных

зонах с препятствиями в условиях интенсивной турбулизации

горючей смеси в воздушных потоках, возникающих при встрече

поездов, идущих навстречу друг другу по параллельным путям.

На месте катастрофы полностью разрушены участки железно-

дорожного полотна протяженностью 350 м, электроконтактной

сети (3 км), воздушной линии связи и линии электропередачи

(1,7 км), металлические опоры контактной сети и железнодо-

рожные опоры линии электропередачи.

От воздействия ударной волны в районе взрыва образова-

лась зона сплошного завала леса (рис. 5.16) на площади 2,5 км

(направление падения деревьев совпадает с направлением

ударной волны и фронта пламени горения парового облака);

повалены деревья (дуб, липа) диаметром 0,9 м; на границе

зоны сплошного завала обломаны ветви и верхушки деревьев,

содрана кора. В радиусе до 15 км от места взрыва в населен-

ных пунктах выбиты стекла в домах, полностью или частично

разрушены рамы и шиферные фронтоны (покрытия).

По оценкам ряда специалистов энергия взрыва углеводоро-

довоздушной смеси оценивается тротиловым эквивалентом

200—300 т. Такой большой интервал обусловлен сложностью

оценки общей энергии взрыва из-за неопределенности формы и

большой массы парового облака, а также объясняется харак-

тером местности — пересеченный рельеф, лесистость.

В начале июня при температуре 20—30 °С в данном районе

-1а глубине прохождения трубопровода («2 м) грунт мог

трогреваться до 15 °С. При большой протяженности трассы

температура перекачиваемой жидкости в трубопроводе могла

>ыть близкой к температуре грунта. Основная масса жидкости

1ыла перегрета на 90—100°С по этану, 50—60°С — по пропа-

у, 10—15°С — по н-бутану и на 20—25°С — по изобутану.

)бщая масса СНГ в трубопроводе протяженностью 555 км

оставляла 120 000 т (метана — 240, этана — 2400, пропана —

3 200, н-бутана —32 400 и изобутана — 18 000 т). При регла-

ентированной (допустимой) скорости движения жидкости по

эубопроводам 2 м/с подача СНГ составляла 430 кг/с. Общий

апас энергии перегрева жидкости системы мог обеспечивать

•

19К

Рис; 5.16. Зона сплошного завала леса (стрелками показано направление по

вала деревьев)

мгновенное испарение легкокипящих углеводородов (С

—С

в количестве около 20 400 т.

При допущении наиболее часто повторяющейся аварийно

ситуации (большое продольное или полное поперечное разр?

шение трубопровода) выброс СНГ мог происходить со сторон

как нагнетательной, так и приемной станции, В начальнь

период давление в трубопроводе \соответствовало давлени

равновесного насыщения сжиженный газов, а скорость жидк

сти (парожидкостной эмульсии) в месте истечения в атмосфе|

составляла «10 м/с. При такой модели аварии массовая с*

рость выброса СНГ составляла 4300 кг/с.

В случае выброса такого количества жидкости и средг

теплоемкости СНГ, равной 2,2 кДж/(кг-К), мгновенно дол»

«ж

было испариться около 750 кг (17,5%) углеводородов (этана —

17, пропана — 540, «-бутана — 91, изопентана — 102 кг). Остав-

шаяся (неиспарившаяся мгновенно) жидкость в количестве

3550 кг разлилась по земле и большая ее часть диспергирова-

лась в атмосфере с образованием тумана.

На основании физических свойств углеводородов можно

предположить, что легкий газ (метан и часть паров этана)

рассеивался в верхних слоях атмосферы непосредственно у

места аварийного выброса жидкости. Основная масса мгновен-

но образовавшегося облака в низменной лесистой лощине

состояла из этана, пропана и бутана, так как на момент раз-

рушения трубопровода стояла безветренная погода. В сложив-

шихся аварийных условиях в начальный период при работе

нагнетательной станции истечение жидкости в атмосферу про-

текало в установившемся режиме. До остановки насосов выб-

рос жидкости определялся скоростью истечения ее из отверстия

(со стороны нагнетательной станции), в дальнейшем (после

остановки насосов) происходило снижение давления в трубо-

проводе и интенсивное парообразование легких углеводородов.

Образующаяся при низких давлениях парожидкостная эмуль-

сия перемещалась по трубопроводу с большой скоростью

(«15 м/с), а на выходе ее из отверстия в атмосферу эта ско-

рость могла достигать еще больших значений. Истекающей

жидкостью могли быть залиты овраги, низменные места, кана-

вы, впадины на поверхности земли. Возникший после взрыва

пожар продолжался длительное время, а вытекающие из тру-

бопровода тяжелые углеводороды выгорали в течение 2 сут.

Это свидетельствует о том, что большая часть разлитой и

истекающей жидкости сгорела при пожаре.

Масса парового облака. При разрыве трубопровода боль-

шой протяженности режим движения жидкости вначале суще-

ственно не изменяется и скорость ее практически остается

близкой к допустимой в рабочих условиях. В результате непре-

кращающейся работы нагнетательной станции (насосы были

остановлены после взрыва) на участке выброса (205 км от

станции) поддерживался постоянный напор («3,6 МПа), а

скорость истечения жидкости через отверстие была близка к

11 м/с. «

Допустим (что более вероятно), что из отверстия выбрасы-

валась газожидкостная эмульсид, занимающая значительно

(в 200—300 раз) больший объем по сравнению с объемом жид-

кости. Сопротивление в трубе и линейная скорость на выходе

13 отверстия значительно возрастали. С учетом этого рассчи-

ано, что за 6' мин через разрушенный участок трубопровода

>ыло выброшено 900—1200 т СНГ, т. е. средняя массовая ско-

ость истечения составляла 2,5—3,3 т/с, а жидкости испарялось

25—567 кг/с.

Следует обратить внимание и на тб, что выброс сжиженного

аза сопровождался неограниченным разливом жидкости по

-497

поверхности земли, что также способствовало скоротечному

парообразованию при интенсивной теплопередаче от твердой

поверхности к разлитой жидкости. В начальный период паро-

образование на поверхности земли было весьма интенсивным,

так как разность температуры поверхности земли («20°С) и

температуры кипения жидкости для большинства углеводородов

смеси была существенной (от 100 °С для этана до 30 °С для

изобутана). Точные размеры площади разлива неизвестны, так

как рельеф поверхности был весьма сложным. Вместе с тем,

если учесть, что насосы, нагнетающие сжиженый газ, были

остановлены только после взрыва, а шаровая задвижка с мест-

ным электроприводом для блокирования аварийного участка

от 350-километровой магистрали была закрыта только через

77 мин с момента возникновения аварии, то масса выброшен-

ной в атмосферу жидкости и площадь разлива были весьма

значительны.

При подобных аварийных выбросах сжиженных газов коли-

чество диспергированной в атмосферу жидкости принимается

равным количеству мгновенно испарившейся жидкости; по

оценкам аналогичных аварий количество испарившейся жид-

кости за счет теплопритока от твердой поверхности разлива

(для пропана в летних условиях) при 10-минутной задержке

также равняется количеству мгновенно испарившейся жидко-

сти. Соответственно для данных условий через 10 мин с момен-

та полного разрыва трубопровода при общей массе выброшен-

ного СНГ 1500—2000 т масса парового облака из этана, пропа-

на и н-изобутана могла составить 1020—1360 т. По энергети-

ческому балансу ударной волны при тротиловом эквиваленте

300 т общая масса парового облака равна 663 т, а масса уча-

ствовавших во взрыве паров — 66,3 т.

Если предположить, что облако воспламенилось от движу-

щихся поездов, то до взрыва оно распространилось от

места разрушенного участка трубопровода до железной дороги

и частично на ее противоположную (северную) сторону на рас-

стояние до 1350 м. Если считать, что облако имело дискообраз

ную форму с условным диаметром 2700 м и высотой 5—8 м, тс

его объем составлял 46-10

. Допуская, что нижний преде./

взрывоопасной концентрации углеводородов в облаке состав

лял 2,2% (по пропану), их масса в облаке мола быть 1988 л

что в 3 раза превышает массу парового облака, найденную п

тротиловому эквиваленту и энергетическому балансу ударно

волны при доле участия паров во взрыве 10%.

Сопоставляя массу парового облака, найденную по услов!

ям парообразования выбросов продукта, с массой паров, ра

считанной по уровням разрушения, можно определить возмо)

ное время с момента разрыва трубопроводов до взрыва: 01

находится в пределах 7—20 мин. При столь кратковременнс

образовании парового облака такой массы при полном разр

шении трубопровода подобный катастрофический взрыв был

неизбежен, что обусловлено огромным запасом энергии в систе-

ме, отсутствием средств оперативного обнаружения поврежден-

ных участков трубопровода и их локализации (по практическим

оценкам время, требуемое для закрытия блокирующей армату-

ры, исчислялось многими часами). В сложившихся условиях

образование устойчивого парового облака большой массы было

неотвратимо. Воспламенение его также было неизбежным, так

оно могло произойти и позже от других поездов или других

случайных источников на огромной территории распростране-

ния газов в наземных слоях атмосферы.

По наблюдаемому направлению движения пламени и удар-

ной волы (по направлению поваленных деревьев) можно пред-

положить, что источник воспламенения был у края облака.

Фронт пламени распространялся по горючей смеси с юга на

север и северо-запад. При достижении фронтом пламени круп-

ного препятствия (насыпной дамбы, железной дороги высотой

около 40 м от уровня расположения разрушенного участка тру-

бопровода) могло произойти локальное ускорение распростра-

нения пламени с усилением ударной волны и изменением ее

направления в северной части от железной дороги. Пламя могло

распространиться с западной на северную сторону через водо-

сточную трубу, проходящую под насыпной дамбой железнодо-

рожного полотна.

При такой модели развития аварии наземное облако пло-

щадью 2,5 км

до взрыва имело вытянутую с севера на юг

форму и располагалось по обе стороны от железной дороги.

В этом случае масса углеводородов в облаке до его взрыва

(при толщине облака 5—8 м и взрывоопасной доле углеводо-

родов 2,2%) составляла приблизительно 1350 т, а время с

момента разрыва трубопровода до взрыва — около 13 мин.

Реально сложившиеся условия не исключали такого развития!

аварии, так как время с момента разрушения трубопровода

точно не установлено, а оно могло значительно превышать

расчетное. Высказывалось предположение об образовании на

месте катастрофы поездов огненного шара, однако это предпо-

ложение не подтверждается характером и масштабами разру-

шений.

Количественная оценка взрыва произведена по четырем зонам

различного уровня разрушений: в области высоких давлений на

месте крушения поездов, сплошного повала крупных деревьев

" лесного массива, умеренных повреждений зданий населенных

пунктов, полного и частичного разрушения остекления зданий

населенных пунктов. Тротиловый эквивалент V/ определяли по

наблюдаемым уровням разрушений, соответствующим значени-

ям констант К (с учетом удаленности объектов от места взры-

ва) на расстояниях /?. Количественная характеристика ударных

волн приведена ниже;

-199

Наблюдаемый уровень разрушения

V/. т

Отрыв вагонов и разрушение же-

350

100-

-60 5,6

244

лезнодорожного полотна

802

Сплошной повал леса (дубы, липы

892*

60-

--20 9,6 802

диаметром 0,9 м)

42"*

Разрушения остекления, рам, шифер-

4500

14--5 42"* 1070

ного покрытия зданий в селе «Крас-

ный Восход»

Разрушение остекления в других на-

7450**

-2 56 2354

селенных пунктах

* Усредненный радиус круга площадью 2,5 км

** Усредненное расстояние от места взрыва до населенных пунктов.

*** Усредненное значение К в интервале 28—56.

Расчетные значения тротиловых эквивалентов (/? = /(ИГ'

)

отличаются от наблюдаемых в зонах соответствующих уровней

разрушения. В области высоких давлений наиболее близко наб-

людаемому уровню разрушения соответствует взрыв, эквива-

лентный усредненному значению (244+ 802)/2 = 523 т.

Высокий уровень давлений в зоне катастрофы поездов

обусловлен взрывными явлениями газовой смеси в частично

замкнутых объемах под вагонами и в других подобных объемах

и интенсивной турбулизацией газовой смеси, создающими усло-

вия для ускорения фронта пламени и, возможно, для локальной

детонации в районе железной дороги. В областях низких дав-

лений отмечаются большие расхождения в значениях, рассчи-

танных для взрывов конденсированного ВВ и парогазовой

среды. Характеристика уровня разрушения зданий в различных

населенных пунктах от воздействия ударной волны парового

облака приведена ниже:

Населенный пункт К, м

V, т

Характеристика разру-

шений

Новобакаево

3500 244

В большинстве зданий

выбито остекление

Казаяк

4500 520

Частично выбито остек-

ление

Средний Казаяк

2000

45,5

То же

Нижний Казаяк

3500

244

Расмекеево

6000

1230

Майский

9500

4882 »

Урман

15000 19 220 »

Улу-Теляк

7000

2400 »

Кировский

6000

1230 »

Шуктеево

4500

520

Среднее 7450

Средний 3050

Примечание. По приведенным значениям Я и V определяют значения К для о(

ялстей низки* давление: К-7450/3050 '/

»51,3, что приблизительно соответствует знач

аиям, принятых е официальных Правилах (А'ыбб).

Ч1Ш