Анализ опасностей и оценка последствий разрыва газопровода при взрыве метана

Природный газ – широко используемый источник энергии. Для транспортировки газа от источника к потребителю. Трубопроводы прокладывают на огромные расстояния, так как источник и потребитель имеют различные географические расположения.

Обычно, при оценке таких опасных событий, интенсивность отказов газопроводов считается постоянной величиной. В таком случае, вероятность наличия взрыва газа в год также оценивается как постоянный:

P = λ • D • fs • ft • fd • fw;       (1)

где λ – частота отказов 1 км трубопровода в год,

D – длина трубопровода (км) вблизи рассматриваемого объекта,

fs – частота опасных аварий на трубопроводе,

ft – частота аварий, связанных с техническими работами, выполняемыми вблизи площадки,

fd – незамеченными и неотремонтированными аварии,

fw – коэффициент неблагоприятных погодных условий.

Однако, из-за динамической рабочей среды и других особенностей, реальная частота отказов зависит от возраста газопровода. Исторические данные отказов могут быть использованы для моделирования надежности трубопроводов.

Введенная частота отказов, зависящая от возраста трубопровода (2), также полезна для анализа риска. Она может оценить вероятность опасного события и его последствия.

   (2)

Оценим последствия разрыва трубопровода, связанные с горением выброшенного природного газа. Метод оценки основан на модели, в которой предполагается, что горение будет происходить в виде непрерывного струйного горения.

Реактивное пламя моделируется как точечный источник теплового излучения, расположенный на уровне земли. Это упрощённое решение дает более низкую точность, чем модель множества точечных источников, распределенных по предполагаемой длине выхода пламени, однако оно значительно упрощает расчеты. Если возникнет необходимость в более точной оценке интенсивности излучения, можно будет распределить этот единственный точечный источник по множеству точечных источников.

Тепловой поток I (Вт / м²)

    (3)

где Q – чистая скорость тепловыделения при сгорании (Вт),

τ – коэффициент пропускания атмосферы,

F – доля выделяемого тепла, которая излучается.

Скорость сгорания топлива равна скорости выделения газа из разрыва трубы W (кг / с), умноженной на коэффициент полноты сгорания η, который учитывает полноту сгорания (часть выделившегося газа, которая сгорает).

Обычно ущерб от теплового излучения оценивается с помощью модели, которая связывает полученный тепловой поток, время воздействия и возможные повреждения.

Если выбрать период времени, в течение которого любой человек, получивший ожог пламени, сможет найти убежище, можно напрямую связать интенсивность излучения и наихудшее воздействие на здоровье.

В этот временной период выбрано время равное 30 с, исходя из предположения, что пострадавший сможет преодолеть расстояние около 60 м за этот период. В этой работе выбрано расстояние 100 м и соответствующий период времени 45 с.

Для зданий существуют аналогичные модели, которые связывают интенсивность излучения и время, необходимое для возгорания здания.

Силу гипотетического взрыва можно оценить с помощью стандартного метода тротилового эквивалента. В этом методе используются полуэмпирические приближения зависимости между избыточным давлением P и масштабированным расстоянием Z. В этой работе используется выражение пикового избыточного давления:

    (4)

Формула масштабированного расстояния:

   (5)

где r – реальное расстояние, м,

a – коэффициент эквивалентности энергии,

m – масса горючего газа в смеси, кг,

H_TNT – взрывная энергия тротила, 4,68 МДж / кг.

Коэффициент энергии «a» показывает долю энергии взрыва.

Объектом применения в этом примере является часть газопровода, который имеет длину трубы 10 км. Его внутренний диаметр 0,18 м, давление 0,6 МПа. Газ внутри трубы - метан (предполагается 100% концентрация).

Чтобы оценить силу взрыва, необходимо знать массу горючей смеси и ее содержимое. Наиболее консервативный подход состоит в том, чтобы предположить, что все содержимое трубопровода должно образовывать горючую смесь.

Используя это предположение, мы получаем массу содержимого трубы из уравнения идеального газа:

  (6)

Из этой массы мы получаем зависимость избыточного давления, вызванного взрывом, от расстояния от центра детонации (рисунок).

Рис. Избыточное давление ударной волны на разном расстоянии от эпицентра взрыва

Разработанная методика может применяться при оценке надежности и риска систем газоснабжения и оценке последствий разрывов газопроводов, которые важны для новых потенциально опасных объектов, такие как, например, атомные электростанции.

Разработанный метод оценки опасности трубопроводов природного газа позволяет легко и консервативно оценить вероятность взрыва газа и оценить возможные повреждения в случае разрыва трубопровода и последующего устойчивого струйного пожара. Также возможна оценка избыточного давления, вызванного ударной волной при гипотетическом наихудшем случае детонации.