Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАССТОЯНИЯ ВЫЛЕТА ОЧИСТНОГО УСТРОЙСТВА ИЗ ТРУБОПРОВОДА ПРИ ВЗРЫВЕ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Чепур П.В. 1 Астахов А.М. 2 Тарасенко Д.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Тюменский Государственный нефтегазовый университет»
2 ОАО «Сибнефтепровод»
В статье рассмотрен случай взрыва паров нефти в газовом пространстве отработавшего нефтепровода при демонтажных огнеопасных работах. Выполнено техническое обоснование дальности вылета поршня при взрыве. Согласно проанализированным данным, выброс очистного устройства произошел из полости магистрального нефтепровода под действием избыточного давления взрыва.Предметом исследования авторов является вопрос дальности вылета очистного устройства относительно трубопровода. Установлено, что расстояние вылета зависит от действия различных факторов, таких, как концентрация и состав взрывоопасной смеси, потенциальная энергия тела поршня (в зависимости от его расположения в полости трубы), сила взаимного трения внутритрубного устройства и стенки трубопровода и др. Авторами статьи предложен расчёт, в котором предпринята попытка определить расстояние, на которое удалится очистное устройство из трубопровода, находящегося в подвешенном состоянии, в случае взрыва. Разработана методика, позволяющая определить параметры взрыва на магистральном нефтепроводе при проведении ремонтных работ и демонтажа с целью предотвращения рисков, связанных с безопасностью обслуживающего персонала. Получены зависимости для усилий и перемещений внутритрубных устройств при взрыве.
взрыв
внутритрубное устройство
очистное устройство
давление взрыва
трубопровод
магистральный трубопровод
адиабатическая работа
промышленная безопасность
1. ПБ 09–170–97. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Утверждены Постановлением Госгортехнадзора России от 22.12.97 № 52.
2. Овчар З.Н., Хоперский Г.Г., Тарасенко А.А. Региональные особенности использования покрытий для защиты внутренней поверхности металлоконструкций резервуаров от коррозии // Известия вузов «Нефть и газ». – 1997. – № 6. – С. 130.
3. Семин Е.Е., Тарасенко А.А. Использование программных комплексов при оценке технического состояния и проектировании ремонтов вертикальных стальных резервуаров // Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2006. – № 4. – С. 84–87.
4. Тарасенко А.А. Напряженно–деформированное состояние крупногабаритных резервуаров при ремонтных работах: дис... канд. техн. наук. – Тюмень, 1991. – 254 с.
5. Тарасенко А.А. Разработка научных основ методов ремонта вертикальных стальных резервуаров: дис. докт. техн. наук. – Тюмень, 1999. – 299 с.
6. Тарасенко А.А. Изменение свойств трубных сталей после длительной эксплуатации: Материалы международной науч.–практ. конференции «Нефть и газ: энергосберегающие технологии». – Тюмень, 2001. – С. 36.
7. Тарасенко А.А. Решение контактной задачи об упругом взаимодействии подъемного устройства и стенки резервуара // Известия вузов «Нефть и газ». – 1998. – № 6. – С. 59 – 63.
8. Тарасенко А.А., Матонин Э.Ю. Опыт применения машин безогневой резки на действующих объектах при выполнении сварочно–монтажных работ: Материалы международной науч.–техн. конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли». – Тюмень: ТюмГНГУ. – 2007. – С. 128–130.
9. Тарасенко А.А., Пимнев А.Л. Использование интерполирующих бикубических сплайнов в задаче моделирования несовершенств геометрической формы днища и стенки резервуара // Известия вузов «Нефть и газ». – 2000. – № 6. – С. 76–78.
10. Тарасенко А.А., Пимнев А.Л. Оценка минимальной толщины стенки при диагностике резервуаров в США и России // Известия вузов «Нефть и газ». – 2001. – № 2. – С. 78–82.
11. Тарасенко А.А., Попова Е.В., Красносельских Е.А. Применение численных методов для исследования напряженно–деформированного состояния объектов нефтегазовой отрасли// Вестник УГТУ–УПИ № 11(63): Материалы II Всероссийской науч.–техн. конференции «Компьютерный инженерный анализ». – Екатеринбург: УГТУ, 2005. С. 155–159.
12. Тарасенко А.А., Сильницкий П.Ф., Тарасенко Д.А. Противоречия в современной нормативно–технической базе при ремонте резервуаров // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10 (часть 15). – С. 3400–403. URL: www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=10002342.
13. Тарасенко А.А., Хоперский Г.Г., Саяпин М.В. Исследование возможности применения сварки для ремонта коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров //Известия вузов «Нефть и газ». – 1997. – № 6. – С. 129.
14. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Чирков С.В., Тарасенко Д.А. Модель резервуара в среде ANSYSWorkbench 14.5 // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10 (ч. 15). – С. 3404–3408. URL:www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=10002343.
15. Хоперский Г.Г., Саяпин М.В., Тарасенко А.А., Николаев Н.В. Принцип независимости действия сил при расчете напряженно–деформированного состояния стенки резервуаров // Известия вузов «Нефть и газ». – 1998. – № 4. – С. 73–77.

При демонтаже отработавшего магистрального нефтепровода произошел взрыв паров нефти в газовом пространстве во время производства сварочных работ. Как правило, к подобным инцидентам приводят нарушения в области промышленной безопасности и охраны труда [12]. Человеческий фактор также может сыграть ключевую роль в возникновении подобной аварийной ситуации. В ходе проведенных расследований инцидента появилась необходимость выполнить техническое обоснование дальности вылета поршня при взрыве. Методика расчета, предложенная авторами, легла в основу данной статьи.

Выброс очистного устройства произошел из полости магистрального нефтепровода под действием избыточного давления взрыва. Подобная ситуация имела место на одном из эксплуатируемых магистральных нефтепроводов.

При анализе взрыва газовоздушной смеси в «опорожненном» трубопроводе с присутствием очистного устройства типа поршня–разделителя, поставлена задача определить расстояние, на которое его может вытолкнуть взрывная сила. Это зависит от действия различных факторов, таких, как концентрация и состав взрывоопасной смеси, потенциальная энергия тела поршня (в зависимости от его расположения в полости трубы), сила взаимного трения внутритрубного устройства (ВТУ) и стенки трубопровода и др. Авторами статьи предлагается расчёт, в котором предпринята попытка определить расстояние, на которое удалится очистное устройство из трубопровода, находящегося в подвешенном состоянии, в случае взрыва. На рис. 1 – 3 представлена расчетная схема рассматриваемой аварии.

chep12.tif

Рис. 1. Расчетная схема (общий вид)

chep14.tif

Рис. 2. Расчетная схема (узел вылета ВТУ)

chep13.tif

Рис. 3. Расчетная схема (узел эпицентра взрыва)

здесь 1 – взрывоопасная газовоздушная смесь;

2 –остатки нефти;

3 – избыточное давление взрыва, оказываемое на очистное устройство, Па.

4 – нефтепровод d = 1220 мм;

5 – трубоукладчик;

6 – точка падения внутритрубного устройства;

7 – траектория падения внутритрубного устройства;

8 – место реза трубопровода, эпицентр взрыва;

L1 – расстояние от начального положения скребка до точки «вылета»;

L2 – расстояние от начального положения скребка до остатков нефти;

L3 – расстояние от начального положения скребка до эпицентра взрыва;

L4 – расстояние от точки «вылета» до точки падения;

H – высота поднятой части трубы относительно отметки земли. Энергия взрыва распространяется во все стороны с одинаковым давлением. Исключив потери энергии на выделение тепла, можно выразить адиабатическую работу взрыва:

A=p⋅F⋅L, (1)

где L – расстояние, на которое переместилось внутритрубное устройство, м;

F – площадь сечения трубопровода, м2;

p – избыточное давление взрыва, оказываемое на внутритрубное устройство, Па.

Для определения давления взрыва воспользуемся данными [1]. Определим радиус полусферы газового облака приближённым методом для углеводородов:

ch2.wmf (2)

где MFX – количество вещества, т.

Давление взрыва определяется по значению коэффициента L3/r0 (L3 – расстояние от эпицентра взрыва до ВТУ):

L3/r0 = 5,7/1,1 = 5,18. (3)

MFX = V ⋅ C = p ⋅ R2 * Lтрубы⋅ С = 3,14 ⋅ 0,612 ⋅ 135,3 ⋅ 2,236 = 353,48 (г)

r0 = 18,5 ⋅ ch4.wmf = 1.1 (м)

Давление взрыва приближённо равно 40 кПа.

После взрыва очистное устройство развивает определённую скорость, следовательно, обладает кинетической энергией. Помимо этого трубопровод был поднят (от уровня земли до оси трубопровода) на 1,5 м, а значит, поршень также обладает потенциальной энергией:

А = К + П = ch5.wmf + m ⋅ �� ⋅ H (4)

Тогда, значение L4 определяется по формуле:

ch11.wmf. (5)

Для определения скорости рассмотрим силы, действующие на ВТУ. Сначала ВТУ преодолевает внутреннее пространство трубы (6 метров), следовательно, на него действует сила трения с коэффициентом трения 0,15. Тогда, движущая сила на выходе из трубы будет равна:

F′ДВ = FВЗ - FТР = p ⋅ F - ch6.wmf = 40 ⋅ 103 ⋅ 1,168 - 1669,65 = 45050,35 (Н)

Затем ВТУ перемещается по воздуху, где на него действует сила сопротивления воздуха с коэффициентом сопротивления воздуха принятым 0,6.

F′′ДВ = F′ДВ - FСОПР = 45050,35 - 0,6 ⋅ 1134 ⋅ 9,81 = 38375,626 (Н)

В последний момент движения ВТУ отрицательное ускорение станет максимальным:

F′′ДВ = m ⋅ch8.tif. (6)

Отсюда ускорение a = 33,841 м/с2. На момент первой секунды горизонтальная скорость будет равна:

ch9.tif.

Тогда, значение L4:

ch10.wmf.

В реальных условиях дальность вылета L4 составила 14,9 метра. Погрешность вычислений (4,21 %) вызвана приближённым выбором и подсчётом ряда коэффициентов, использовавшихся в расчёте.

Выводы

  1. Разработана методика, позволяющая определить параметры взрыва на магистральном нефтепроводе при проведении ремонтных работ и демонтажа с целью предотвращения рисков, связанных с безопасностью обслуживающего персонала.
  2. Получены зависимости для усилий и перемещений внутритрубных устройств при взрыве.
  3. Разработанная методика позволяет определить характеристики опасных зон при выполнении ремонтных и демонтажных работ.

Рецензенты:

Обухов А.Г., д.ф-м.н., профессор, профессор кафедры «Высшая математика», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;

Мерданов Ш.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Транспортные и технологические системы», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень

Работа поступила в редакцию 10.06.2014


Библиографическая ссылка

Чепур П.В., Астахов А.М., Тарасенко Д.А. МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАССТОЯНИЯ ВЫЛЕТА ОЧИСТНОГО УСТРОЙСТВА ИЗ ТРУБОПРОВОДА ПРИ ВЗРЫВЕ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-2. – С. 283-287;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34840 (дата обращения: 19.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252