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.
Рис. 1. Расчетная схема (общий вид)
Рис. 2. Расчетная схема (узел вылета ВТУ)
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:
(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 ⋅ 
= 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 = 
+ m ⋅ �� ⋅ H (4)
Тогда, значение L4 определяется по формуле:
. (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 - 
= 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 ⋅
. (6)
Отсюда ускорение a = 33,841 м/с2. На момент первой секунды горизонтальная скорость будет равна:
.
Тогда, значение L4:
.
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
- 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.
- 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