Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЧИН ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ РЕЗЕРВУАРОВ ДИЗЕЛЬНЫМ ТОПЛИВОМ

Тютяев А.В. 1 Должиков А.С. 1 Зверева И.С. 1
1 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»
Известно немало случаев воспламенения и взрыва при операциях заполнения и слива нефтепродуктов в резервуары и автоцистерны, в особенности дизельного топлива и бензинов. Чаще всего, воспламенение нефтепродуктов происходит из-за разряда статического электричества даже при исправной системе заземления технологического оборудования и резервуаров. В работе были проведены хроматографические и спектральные исследования для определения фракционного состава нефтепродуктов, исследовано наличие разного вида добавок к дизельному топливу, проанализированы легколетучие примеси к топливу и его основные компоненты. Установлено, что наличие даже небольшого количества летучих фракций в исследуемых резервуарах повышает вероятность их воспламенения и требует определения концентрации легколетучих нефтепродуктов. Получена зависимость степени электризации и вероятности воспламенения от скорости заполнения при различных температурах нефтепродуктов.
нефтепродукты
заполнение резервуаров
взрывоопасность
воспламенение
концентрация паров
1. Глебов B.C., Тазеев Г.С. Пожарная безопасность нефтебаз и объектов магистральных трубопроводов. – 2-е. изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1972. – 192 с.
2. Максимов Б.К., Обух А.А. Статическое электричество в промышленно­сти и защита от него. – М.: Энергоатомиздат, 2000. – 96 с.
3. Прибылов В.Н., Черный Л.Т. Электризация диэлектрических жидко­стей при течении по трубам // Изв. АН СССР. МЖГ. – 1979. – № 6. – С. 42–47.
4. РТМ 6-28-007-78. Допустимые скорости движения по трубопроводам и истечения в ёмкости (аппараты, резервуары).
5. Прибылов В.Н., Макаров В.Н.Электризация органических жидкостей при постоянной скорости потока // Вестник Моск. унив-та, сер. Математика и механика. – 1998. – № 4. – С. 50–53.
6. Кицис С.И., Путко А.Э. Методика расчета нефти в трубопроводах по значению концентрации потенциалосодержащих ионов // Нефтепро­мысловое дело. – 2005. – № 10. – С. 52–59.
7. Путко А.Э., Кицис С.И. Физические основы явления электризации нефти в нефтепромысловых трубах // Материалы междун.науч.-техн.конфер. по­священной 40-летию Тюменского нефтегазового университета. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. – T.2. – C. 91–92.
8. Кицис С.И., Путко А.Э. Пристеночный электрический ток, возникаю­щий при электризации нефти в трубопроводе // Нефть и газ Западной Сибири: материалы международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию Тюменского нефтегазового университета (Индустриального институ­та). Т.2 – Тюмень, ТюмГНГУ, 2003. – С. 93–94.
9. Путко А.Э. Разработка методов расчета процессов электризации неф­ти в трубопроводах и хранилищах цилиндрического типа: автореф. дис. ... – Тюмень, ТюмГНГУ, 2006.

В настоящее время существует проблема обеспечения надежности эксплуатации и безаварийности работы систем хранения и распределения углеводородных топлив различного назначения. Одной из основных причин возникновения взрывов и пожаров в резервуарах и автоцистернах для перевозки является аккумуляция зарядов статического электричества, образующихся в трубопроводе и резервуарах в процессе транспортировки [1-3]. Вносимые вместе с топливом в резервуар электростатические заряды создают электрическое поле и, соответственно, условия для возникновения искрового пробоя газового пространства над поверхностью продукта.

Сложившиеся на сегодняшний день представления о причинах взрывов и пожарах при операциях налива топлива в цистерны требуют существенных дополнений и уточнений, в том числе количественных оценок основных физических процессов, протекающих при этих операциях, особенно процессов накопления статического электричества.

Например, с помощью метода спектрального анализа в инфракрасной области спектра можно надежно идентифицировать отличие разных видов дизельного топлива, устанавливать факт добавки к дизельному топливу различных компонентов и устанавливать процентный состав полученной смеси. По наличию спектральных линий отдельных компонентов можно судить о присутствии в дизельном топливе фракций бензина, что может способствовать образованию взрывоопасной концентрации паровоздушной смеси или примесей, способствующих электризации топлива.

Степень электризации жидких диэлектрических материалов определяется величинами диэлектрической проницаемости и поверхностным омическим сопротивлением, при этом диэлектрическая проницаемость определяет расположение материала к тому или другому знаку потенциала, а поверхностное сопротивление характеризует скорость стекания заряда с диэлектрика через воздух или заземление [3–9].

Таким образом, при соприкосновении нефтепродуктов стенка наливной (сливной) трубы оказывается заряженной электрическим зарядом одного знака, а продукт, непосредственно прилегающий к трубе, равным зарядом противоположного знака.

В качестве исходных данных для расчета предельно допустимого значения плотности заряда используются следующие величины:

Wmin – минимальная энергия зажигания среды над поверхностью жидкости, Дж;

ε – диэлектрическая проницаемость жидкости;

σ – поверхностное натяжение жидкости, кг/см2;

τ = ε0εRν – время релаксации заряда в жидкости, с;

ε0 – электрическая постоянная, равная 8,854∙10–12 Ф/м;

Rν – удельное объемное электрическое сопротивление жидкости, Ом∙м.

При расчете должно использоваться значение Wmin для паров данной жидкости при температуре, реализуемой в резервуаре, в который поступает жидкость из трубопровода.

Если отсутствуют необходимые данные о минимальной энергии зажигания, то их необходимо определить экспериментально.

Предельно допустимое значение плотности заряда в Кл/м3 рассчитывается по формулам:

Eqn114.wmf (1)

Eqn115.wmf (2)

Указанные соотношения позволяют провести оценку плотности заряда, причём с учётом того, что всё необходимое оборудование надёжно заземлено. Следует однако отметить, что при низких температурах следует ожидать заметного увеличения времени релаксации заряда из-за повышения удельного сопротивления жидкости.

Возможность интенсивной электризации жидкостей при транспортировании их по трубопроводам определяется главным образом скоростью и удельным объемным электрическим сопротивлением [4].

В связи с тем, что удельное объемное электрическое сопротивление жидкости сильно зависит от содержания и состава растворенных в них примесей (т.е. от технологии их получения, способа и степени очистки), при оценке возможности электризации их в каком-либо производстве желательно ориентироваться на значение этого параметра, полученное при измерениях, проведенных с пробами, отобранными из аппаратов и магистралей этого производства. При использовании данных, заимствованных из литературных источников, следует пользоваться наибольшим из приводимых значений.

Жидкости с удельным объемным электрическим сопротивлением менее 105 Ом∙м практически не электризуются, и их транспортировка со скоростями до 10 м/с заведомо безопасна.

Электризация, способная привести к возникновению искровых разрядов, для жидкостей с удельным объемным электрическим сопротивлением до 109 Ом∙м исключена при транспортировке их по трубопроводам со скоростями до 5 м/с.

Для жидкостей, имеющих удельное объемное электрическое сопротивление более 109 Ом∙м, максимальные безопасные скорости транспортировки по трубопроводам и допустимые скорости истечения в аппараты и резервуары различных форм и размеров из различных загрузочных патрубков должны рассчитываться в каждом отдельном случае и могут быть определены по приведённой ниже методике. При этом ограничение скорости транспортировки максимальным безопасным значением исключает возникновение опасных разрядов в любом заполняемом аппарате (резервуаре) при любом способе подачи жидкости, исключающем разбрызгивание. Ограничение значения скорости потока в трубопроводе допустимой скоростью истечения исключает опасные разряды только при данном способе подачи жидкости в аппарат (резервуар) данных форм и размеров.

Максимальная безопасная скорость транспортировки жидкости по трубопроводу определяется исходя из необходимости ограничить предельно допустимым значением плотность заряда в потоке, движущемся по данному трубопроводу.

В качестве исходных данных для расчета максимальной безопасной скорости транспортировки жидкостей по трубопроводу используются следующие величины:

r0 – радиус трубопровода, м;

n – кинематическая вязкость жидкости, м2/с;

ε – диэлектрическая проницаемость жидкости;

T – температура жидкости в трубопроводе, К;

a – коэффициент, учитывающий влияние мелкодисперсных примесей;

qn.g – предельно допустимое значение плотности заряда в жидкости, Кл/м3.

Радиус трубы r0 определяется как половина условного прохода. Кинематическая вязкость жидкости и диэлектрическая проницаемость ε могут заимствоваться из справочной литературы или непосредственно измеряться при температуре, равной температуре жидкости в трубе.

Значение коэффициента a – содержание механических примесей, заведомо невелико, принимают a = 1,1 для жидких углеводородов и для светлых нефтепродуктов.

Максимальная безопасная скорость транспортировки жидкости по трубопроводу (м/с) может быть рассчитана аналитически по формуле:

Eqn116.wmf (3)

Допустимая скорость истечения жидкости в резервуар определяется исходя из необходимости ограничить предельно допустимым значением максимально возможную плотность заряда в приповерхностном слое жидкости, находящейся в заполняемой ёмкости, при данном способе загрузки.

Предельно допустимое значение плотности заряда определяется как плотность заряда в объеме жидкости, при которой вероятность возникновения разряда с энергией, равной 0,25 минимальной энергии зажигания смеси паров этой жидкости с воздухом, не превосходит 10–3.

Если над поверхностью жидкости в заполняемом резервуаре возможно присутствие других горючих паров и газов, в качестве предельно допустимого принимается такое значение плотности заряда, при котором вероятность возникновения разряда с энергией, равной 0,25 наименьшей из минимальных энергий зажигания смесей этих паров и газов с воздухом, не превышает 10–3.

В качестве дополнительных исходных данных для расчета допустимой скорости истечения жидкости из трубопровода в резервуар (загрузочный патрубок вертикальный, расстояние от его конца до дна не более 200 мм) используются следующие величины: диаметр цилиндрического аппарата (резервуара), м; расстояние от стенки аппарата (резервуара) до загрузочного патрубка (в долях к диаметру).

Кинематическая вязкость жидкости, диэлектрическая проницаемость жидкости и предельно допустимое значение плотности заряда в жидкости определяются, как указано ранее.

Удельное объемное электрическое сопротивление жидкости должно определяться путем непосредственных измерений согласно ГОСТ 6581-75 с пробами, отобранными из данного аппарата (резервуара). В случае невозможности осуществления таких измерений для расчета может быть использовано наибольшее из приводимых в справочниках значений.

Расчет допустимой скорости истечения жидкости из трубопроводов, имеющих условный проход от 40 до 200 мм, в емкость со сферическим, эллиптическим или коническим днищем (при условии, что загрузочный патрубок вертикален, расстояние от его конца до дна не превосходит 200 мм) осуществляется графоаналитическим методом с помощью аппроксимации имеющихся в литературе номограмм.

По вышеприведённой методике в формате Excel создан расчётный модуль, в котором можно определить предельную плотность заряда, безопасную скорость движения жидкости по трубе системы налива и допустимую скорость заполнения автоцистерны.

Для обеспечения пожарной безопасности процесса налива в бензовоз дизтоплив решающее значение имеет предотвращение образования горючей паровоздушной концентрации. Необходимым условием воспламенения горючей смеси является образование горючей концентрации. При неподвижном уровне жидкости концентрация в паровоздушном объёме CS. Эта концентрация определяется давлением насыщенного пара PS и общим (атмосферным барометрическим) давлением PO в свободном объёме резервуара:

CS = PS/PO.

Таким образом, опасность образования горючей концентрации при хранении нефти в резервуарах может быть оценена выражением:

CНПВ ≤ CS ≤ CВПВ, (4)

где CS – рабочая (фактическая) концентрация паров жидкости в резервуаре; CНПВ и CВПВ – соответственно нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения (распространения пламени).

Концентрационные пределы воспламенения для жидкостей приведены в справочниках. Они могут быть также определены экспериментально или расчетным путем. Концентрация паров жидкости в резервуаре зависит от Tвсп, т.е. от её компонентного состава, и от T – температуры жидкости. Условие опасности (4) может быть применимо для оценки возможности образования горючей концентрации в резервуарах с неподвижным уровнем жидкости, когда в них образуется насыщенная концентрация паров. Это условие остается справедливым при наполнении, если подъем уровня жидкости в резервуарах с дыхательными устройствами происходит достаточно медленно и не изменяет насыщенную концентрацию паровоздушной смеси непосредственно над зеркалом жидкости. При опорожнении таких резервуаров состояние насыщения газового пространства парами жидкости нарушается за счет поступления через дыхательную арматуру дополнительного количества воздуха. Концентрация при этом уменьшается, и в процессе или призавершении откачки она может быть взрывоопасной.

Таким образом, необходима достоверная модель распределения паров топлива во времени и пространстве в течение всего времени длительности операции слива‒налива. Однако процесс можно рассмотреть поэтапно: испарение и накопление паров топлива в цистерне, диффузия паров из открытой наливной горловины и вытеснение паровоздушной смеси при заполнении цистерны.

В закрытом резервуаре при состоянии термодинамического равновесия концентрация паров характеризуется давлением насыщенных паров.

Можно приближённо определить время установления равновесной концентрации на расстоянии r:

t = r2/D.

Если r = 2 м, D = 0,008 м2/с (бензин), получаем t = 250 c .

Приведённая оценка показывает, что время выравнивания концентраций на расстоянии 2 м равно примерно 4 мин. Это также означает, что при открытом наливном отверстии всегда найдутся области пространства цистерны в её верхней части, где концентрация паров будет взрывоопасной, несмотря на то, что концентрация в состоянии насыщения значительно превышает взрывоопасную.

Кроме того, выполненная оценка является существенно заниженной, так как при низких температурах скорость диффузионных процессов, определяющих процесс выравнивания концентраций, заметно снижается.

Рецензенты:

Требунских В.П., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Защита в чрезвычайных ситуациях» Самарского государственного технического университета, г. Самара;

Кривченко А.Л., д.т.н., профессор кафедры «Защита в чрезвычайных ситуациях» Самарского государственного технического университета, г. Самара.

Работа поступила в редакцию 07.05.2013.


Библиографическая ссылка

Тютяев А.В., Должиков А.С., Зверева И.С. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЧИН ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ РЕЗЕРВУАРОВ ДИЗЕЛЬНЫМ ТОПЛИВОМ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-4. – С. 873-876;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31653 (дата обращения: 16.10.2021).

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 = 1.074