Методология применения анализа риска в целях обеспечения промышленной безопасности на объектах нефтегазового комплекса

Вид материала

Автореферат

Содержание Образование струи или Горящая струя Рассеяние струи или облака Тепловые нагрузки Токсические нагрузки R в м при детонации облака ТВС предварительно рассчитывается соответствующий безразмерный радиус по соотношению R Определение основных параметров взрыва ТВС (безразмерные давление Px и импульс Ix) Оценка поражающего воздействия Четвертая глава А – наибольший размер нераспространяющейся трещины в газопроводе (м), С

Подобный материал:

• Единая система оценки соответствия в области промышленной, экологической безопасности,, 134.1kb.
• Стратегия развития нефтегазового комплекса в механизме обеспечения экономической безопасности, 319.48kb.
• Единая система оценки соответствия в области промышленной, экологической безопасности,, 154.89kb.
• Единая система оценки соответствия в области промышленной, экологической безопасности,, 161.21kb.
• Программа семинара 10 октября 2011 г включает в себя следующие темы, 33.69kb.
• План мероприятий по обеспечению безопасности людей на водных объектах Октябрьского, 48.63kb.
• Администрация города ишима, 487.91kb.
• Общие положения, 712.36kb.
• Календарный план (весенний семестр 2010/2011 учебного года) лекций старшего преподавателя, 64.7kb.
• Единая система оценки соответствия на объектах, подконтрольных ростехнадзору, 134.33kb.

ОБРАЗОВАНИЕ СТРУИ ИЛИ

ОБЛАКА

ВЗРЫВ ПАРОВ ВСКИПАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ

УЩЕРБ

ГОРЯЩИЙ

БАССЕЙН

ГОРЯЩАЯ СТРУЯ

ТЕПЛОВЫЕ НАГРУЗКИ

ИСПАРЕНИЕ ЖИДКОСТИ


ТЕПЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ОБРАЗОВАНИЕ ОСКОЛКОВ

РАССЕЯНИЕ СТРУИ ИЛИ ОБЛАКА


ПОЛЯ КОНЦЕНТИРАЦИЙ


УЩЕРБ


ТЕПЛОВЫЕ НАГРУЗКИ

УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

ОБРАЗОВАНИЕ ОСКОЛКОВ

ГАЗОВЫЙ ВЗРЫВ

ТОКСИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ



УЩЕРБ


УЩЕРБ



Рис. 1. Схема развития аварийного процесса


Количество элементов должно быть не слишком большим, чтобы обеспечить целостность описания физических процессов, но и не слишком малым, чтобы обеспечить необходимую гибкость системы. Пример схемы развития аварийного процесса, содержащий не слишком большое число физических явлений, показан на рис. 1.

Современное развитие и распространение компьютерной техники позволяет широко использовать сложные по математическому аппарату методики, если для них созданы компьютерные программы. Данное обстоятельство позволяет отойти от принципа создания упрощенных методик с простыми расчетными формулами, что делалось ранее в интересах пользователя.

В рамках реализации разработанной концепции создан ряд методик по оценке последствий аварий, связанных со взрывами и распространением облаков тяжелых газов – явлений, моделирование которых к началу работы над созданием системы методик приводило к наиболее противоречивым результатам. В результате согласованных действий с группами исследователей соответствующих явлений удалось адаптировать разработанные физико-математические модели к требованиям системы методик, провести их верификацию, разработать соответствующие алгоритмы и блок-схемы расчета и довести довольно-сложные модели до нормативных документов, доступных широкому кругу пользователей. В работе использован подход к оценке фугасного действия взрыва, который не связывает амплитуду и длительность ударной волны только с выделившейся энергией, как это делалось ранее, но учитывает особенности взрывного процесса. Взрыв облака топливно-воздушной смеси может протекать как в режиме детонации, так и в режиме горения (дефлаграции), при этом параметры генерируемых ударных волн существенно различаются. В работе представлены результаты анализа зависимостей параметров ударных волн при различных режимах превращения.

Наиболее опасным и разрушительным режимом превращения облака топливно-воздушной смеси является детонация. Для описания параметров ударных волн (избыточное давление P и импульс фазы сжатия I) в зависимости от расстояния от центра облака генерированных детонацией сферического объема газообразной топливовоздушной смеси рекомендуются зависимости:

ln(P_x)= -1,124 - 1,66 ln(R_x) + 0,26 (ln(R_x))² 10%

ln(I_x)= - 3,4217 - 0,898 ln(R_x) - 0,0096 (ln(R_x))² 15%

Для вычисления параметров воздушной ударной волны на заданном расстоянии от центра облака R в м при детонации облака ТВС предварительно рассчитывается соответствующий безразмерный радиус по соотношению R_x=R/(10E/P_o)^1/3. (Здесь Е – эффективный энергозапас ТВС в МДж, Р₀ – атмосферное давление в атм). Далее рассчитываются безразмерное давление P_x и безразмерный импульс фазы сжатия I_x. Из соотношений I=10I_x(0,1P₀^2/3) E^1/3 /C₀ и P=P_xP₀ определяются размерные величины. Зависимости соответствуют детонации сферического объема горючей смеси в неограниченном пространстве и справедливы в диапазоне: 0,2< R_x <5,6. При необходимости оценки параметров ударной волны в ближней зоне при R_x <0,2 , что соответствует параметрам внутри облака топливно-воздушной смеси, величина давления полагается равной давлению в детонационной волне в точке Чепмена-Жуге. Для большинства углеводородо-воздушных смесей эта величина близка к 18 атм. Величина импульса положительной фазы зависит от места инициирования детонации в облаке, однако для оценок внутри облака считается I_x= 0,231, что соответствует давлению 18 атм.

При переходе от газовых топливно-воздушных смесей к гетерогенным, доля энергии смеси, перешедшая в ударную волну, снижается, что связано с неполным сгоранием капель горючего за фронтом детонационной волны. На основе экспериментов предложены соотношения, описывающие зависимости избыточного давления и импульса фазы сжатия волны от расстояния для детонации облака стехиометрической гетерогенной топливно-воздушной смеси:

P_x =0,125/R_x+ 0,137/R_x²+ 0,023/R_x³ 10%

I_x = 0,022/R_x  15%

для диапазона расстояний 0,3 < R_x< 2,0. Приведенные соотношения для расчета параметров воздушных ударных волн при детонации гетерогенных топливно-воздушных смесей справедливы лишь на некотором удалении от границы облака. Для оценки радиусов разрушения представляется правомерным экстраполировать приведенные выше зависимости до эффективной границы облака смеси, которой соответствует избыточное давление в ударной волне ~ 18 атм., близкое к давлению Чепмена-Жуге стационарной детонационной волны для большинства гетерогенных топливно-воздушной смесей.

В случае дефлаграции топливно-воздушной смеси параметры воздушной ударной волны зависят не только от энергетических характеристик смеси, но и от скорости распространения фронта пламени V_г и степени расширения продуктов сгорания  (для большинства газообразных углеводородо- воздушных смесей  = 7). Для гетерогенных топливно-воздушных смесей эта величина была определена экспериментально и составила  = 4. Безразмерные давление P_х1 и импульс фазы сжатия I_x1 определяются по соотношениям:

P_x1=(V_г/С_o)²( /( -1))(0,83/R_x - 0,14/R_x²))

I_x1=(V_г/C_o)²( /( -1))(1-0,4 V_г/(( -1)С_o)(0,06/R_x+0,01/R_x²-0,0025/R_x³)

Последние два выражения справедливы для значений R_x, больших величины R_кр=0,34, в противном случае вместо R_x в соотношения подставляется величина R_кр. В случае гетерогенной смеси энергозапас домножается на (-1)/.

При выборе ожидаемого режима взрывного превращения основными факторами являются геометрические характеристики окружающего пространства и свойства горючей смеси. По результатам анализа чувствительности к инициированию взрывных процессов топлива, способные к образованию горючих смесей с воздухом были разделены на четыре класса. Геометрические характеристики окружающего пространства также разделены на четыре класса в соответствии со степенью их опасности.

Исходя из литературных данных, в соответствии с предложенной классификацией типов топлив и характеристик окружения составлена экспертная таблица, определяющая диапазоны скоростей распространения взрывного превращения ТВС, служащие основой для определения возникающих ударно-волновых нагрузок. На рис. 2 представлен алгоритм расчета последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей.




Исходные данные:

характеристики горючего облака ТВС, агрегатное состояние ТВС, средняя концентрация горючего в смеси, С_г

стехиометрическая концентрация горючего с воздухом, С_ст масса горючего в облаке, М_г

удельная теплота сгорания горючего, q_гинформация об окружающем пространстве







Определение эффективного энергозапаса ТВС

Е=М_гq_г, при С_гС_ст,

или

Е=М_гq_гС_ст/С_г, при С_г>С_ст

При расчете параметров взрыва облака, лежащего на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается







Определение ожидаемого режима взрывного превращения

Расчет безразмерного расстояния R_x=R/(10E/P_o)^1/3

Расчет параметрического расстояния =R_o/E^1/3

Детонация

Дефлаграция

Определение основных параметров взрыва ТВС (безразмерные давление P_x и импульс I_x)

Облако газовой ТВС ln(Px)=-1,124-1,66ln(Rx)+0,26(ln(RX))2 ln(Ix)=-3,4217-0,898ln(Rx)-0,0096(ln(Rx))2

Облако гетерогенной ТВС Px=0,125/Rx+0,137/Rx2+0,023/Rx3 Ix=0,022/Rx или Px=0,271/+0,62/2+0,236/3 Ix=0,047/

Px=(Vг/Co)2((-1)/)(0,83/Rx-0,14/Rx2) Ix=(Vг/Co)((-1)/)(1-0,4(-1)Vг/ Сo)(0,06/Rx+0,01/Rx2-0,0025/Rx3), где =7 для газовых смесей; =4 для гетерогенных смесей, при этом энерго-запас гетерогенной смеси домножается на (-1)/

Определение размерных величин

P=P_xP_o и I=10 I_x(0,1P_o)^2/3E^1/3/C_o


Определение дополнительных характеристик взрыва ТВС




Параметры падающей волны при детонации облака газовой смеси (давление, импульс и длительность фаз сжатия и разрежения)

ln(P₊/P_o)=0,299-2,058ln+0,26(ln)² и ln(P_-/P_o)=-1,46-1,402ln+0,079(ln)²

ln(₊/E^1/3)=0,106+0,448ln-0,026(ln)² и ln(_-/E^1/3)=1,299+0,412ln-0,079(ln)²

ln(I₊/E^1/3)=-0,843-0,932ln-0,037(ln)² и ln(I_-/E^1/3)=-0,873-1,25ln+0,132(ln)²

Форма падающей волны с описанием фаз сжатия и разрежения

P(t, )=P(sin((t-₊)/_-)/sin(-₊/_-))exp(-K_it/₊)

Декремент затухания K_i=0,889-0,356ln+0,105(ln)²







Параметры отраженной волны (давление, импульс и длительность фаз сжатия и разрежения)

ln(P_r+/P_o)=1,264-2,056ln+0,211(ln)² и ln(P_r-/P_o)=-0,673-1,043ln+0,252(ln)²

ln(_r+/E^1/3)=-0,109+0,983ln-0,23(ln)² и ln(_r-/E^1/3)=1,265+0,857ln-0,192(ln)²

ln(I_r+/E^1/3)=-0,07-1,033ln+0,045(ln)² и ln(I_r-/E^1/3)=-0,052-0,462ln-0,27(ln)²

Форма отраженной волны с описанием фаз сжатия и разрежения

P_r(t, )=P(sin((t-_r+)/_r-)/sin(-_r+/_r-))exp(-K_rt/_r+)

Декремент затухания K_r=0,978-0,554ln+0,26(ln)²





Оценка поражающего воздействия


Вероятность повреждений стен промышленных зданий P_r1=5-0,26lnV₁, где V₁=(17500/P)^8,4+(290/I)^9,3

Вероятность разрушения промышленных зданий P_r2=5-0,22lnV₂, где V₂=(40000/P)^7,4+(460/I)^11,3

Вероятность длительной потери управляемости у людей P_r3=5-5,74lnV₃, где V₃=4,2/p+1,3/i, здесь p=1+P/P₀, i=I/(P_o^1/2m^1/3)

Вероятность разрыва барабанных перепонок P_r4=-12,6+1,524lnP

Вероятность отброса людей волной P_r5=5-2,44lnV₅, где V₅=7,38 10³/P+1,3 10⁹/P I


Рис. 2. Алгоритм расчета последствия аварийных взрывов топливно-воздушных смесей


Выявленные закономерности и предложенный алгоритм легли в основу РД 03-409-01 «Методика оценки нагрузок, возникающих при воздействии взрывов топливно-воздушных смесей» (утверждена Госгортехнадзором России 26.06.01).

Как показал проведенный анализ, наиболее сложная ситуация в части оценки последствий возможных аварий сложилась с описанием распространения и дисперсии облаков опасных веществ. Условно модели распространения и дисперсии облаков тяжелых газов в случае аварийных выбросов можно разделить на «К-модели», основанные на трехмерных уравнениях в частных производных, и модели с сосредоточенными параметрами «ящичного типа». По сравнению с трехмерными теориями модели с сосредоточенными параметрами позволяют проанализировать большое число катастрофических ситуаций без значительных затрат времени, получая характеристики паровоздушного облака в зависимости от таких факторов, как скорость ветра, устойчивость атмосферы, влажность, поверхностная неоднородность.

Для дальнейшего анализа формирования и рассеяния облака тяжелого газа модифицирована разработанная в Институте химической физики РАН модель с сосредоточенными параметрами. Отличие от вышеперечисленных моделей состоит в том, что учитывается наличие капель в образовавшемся при выбросе облаке, стратификация и влажность атмосферы и наличие неоднородного по высоте ветра произвольной интенсивности.

На основании модели распространения и дисперсии компактного паровоздушного облака в стратифицированной атмосфере с устойчивым профилем ветра разработана методика, предназначенная для прогностических оценок параметров эволюционирующего в атмосфере паровоздушного облака в зависимости от таких факторов, как параметры выброса, состояние атмосферы (устойчивость, влажность, профиль ветра), шероховатость подстилающей поверхности и другие. В качестве иллюстрации рассчитаны конфигурации зон поражения по смертельной, опасной и предельно-допустимой концентрациям, а также смертельной и пороговой токсодозам при мгновенных выбросах парожидкостной фракции хлора в атмосферу. Модель может быть использована для оценок последствий аварий, связанных с выбросами тяжелых (по отношению к воздуху) паров токсичных и пожаровзрывоопасных веществ. На основе модели разработана инженерная «Методика расчета геометрических характерных масштабов зон поражения по концентрациям и токсодозам при выбросах парожидкостной фракции хлора в стратифицированную атмосферу» (согласована Госгортехнадзором России 22.07.98).

Четвертая глава посвящена вопросам применения схем и алгоритмов при анализе риска. Разработка алгоритма как конечного набора правил для механического решения конкретной задачи из некоторого класса однотипных задач требует прежде всего выделения этих однотипных задач. В случае анализа риска это могут быть либо отдельные типовые объекты при конкретных целях анализа риска, либо отдельные стадии аварийного процесса. Ниже в качестве алгоритмов рассмотрен порядок оценки опасности, который подразумевает наличие ряда этапов, для каждого из которых известно, что считать результатом, и определен процесс получения этого результата на основе исходных данных для каждого этапа. Так, для отдельных стадий анализа риска, описываемых разными физико-математическими моделями, разработаны алгоритмы анализа, наиболее точно соответствующие определению алгоритма (например, рис. 2).

Разработан общий алгоритм анализа риска широкого класса объектов, содержащих пожаро- и взрывоопасные вещества, к которым относятся большинство производств нефтегазового комплекса. Обширный текстовый комментарий отличает этот алгоритм от обычных схем анализа риска. В общем алгоритме процесс анализа опасности разделен на одиннадцать этапов: выбор и описание системы; предварительный анализ опасности; характеристика опасных веществ; последствия выброса опасного вещества; развитие аварийного процесса; определение количества вещества, способного участвовать в создании поражающих факторов; определение поражающих факторов; определение ущерба для рассматриваемых сценариев аварии; получение вероятностных оценок; оценка риска; выводы об опасности объекта в соответствии с целями анализа. Для каждого этапа выстроена последовательность действий, даны подробные рекомендации по использованию методов анализа риска, определены возможные результаты этапа, позволяющие обоснованно проводить процесс и получать исходные данные для начала работы на следующем этапе. Обширные литературные ссылки на источники информации, включая нормативные документы, разъяснение имеющих место физико-химических процессов, приведение конкретных формул для вычисления показателей риска позволяет избежать многих ошибок, встречающихся при проведении анализа риска.

С учетом основополагающих требования к проведению анализа риска опасного производственного объекта разработаны алгоритмы количественной оценки риска типовых объектов систем газораспределения, в качестве которых рассмотрены распределительные газопроводы и газорегуляторные пункты (ГРП). Актуальность разработки алгоритма анализа риска объектов газораспределения определяется требованием Федерального закона «О газоснабжении в Российской Федерации» «постоянно осуществлять прогнозирование вероятности возникновения аварий и катастроф». Наличие горючих газов в системах газораспределения, сложная пространственная конструкция системы надземных трубопроводов, пересечение газопроводами водных переходов, автомобильных и железных дорог, наличие параллельных ниток газопроводов, нахождение трасс распределительных газопроводов, ГРП на населенных территориях требует оценки присущих системам опасностей. Алгоритм анализа риска распределительного газопровода, представленный на рис. 3, учитывает результаты идентификации опасности для таких систем. При разгерметизации газопровода чаще всего происходит истечение природного газа в атмосферу с последующим рассеянием. При разгерметизации надземных/наземных участков газопроводов гораздо чаще происходит факельное горение. Факельное горение также возможно при истечении из подземного газопровода, обычно в искусственно созданном котловане (при ведении земляных работ). При этом расстояние действия поражающих факторов определяется дальностью прямого огневого воздействия газовых струй, , где Q_ф – общее тепловыделение факела (МВт), пропорциональное интенсивности истечения (массовой скорости истечения газа) m_og (кг/с) и теплоте сгорания газа – Q_нт (МДж/кг). В случае перекачки газа под давлением более 0,18 МПа истечение происходит со звуковой скоростью. При этом массовая скорость звукового истечения газа определяется как:

, кг/с,

где А – наибольший размер нераспространяющейся трещины в газопроводе (м²), С_D - коэффициент расхода, зависящий размера утечки и числа Рейнодльдса (для практических расчетов рекомендуется принимать коэффициент расхода С_D =0,62), р – давление в трубопроводе (Па), Т – температура в газопроводе (К), R = 8314 – универсальная газовая постоянная (кг∙м²/К∙кмоль∙с²), М – молярная масса (кг/кмоль). При этом наибольший размер нераспространяющейся трещины в газопроводе А рекомендуется оценивать как , где r – радиус трубопровода (м), t - толщина стенки трубопровода (м).


Зона действия поражающих факторов

Определение параметров истечения (размера отверстия истечения)

Да

Прокол

Порыв

Факельное горение


Рассеивание утечки

Колышущееся

пламя


Рассеивание утечки


Взрыв в помещении

Длина истекающей струи

Поражающие факторы

отсутствуют

Проникающая способность грунта, наличие коллекторов

Факельное горение


Колышущееся пламя


Взрыв в помещении


Рассеивание утечки


Параметры, определяющие зону действия поражающих факторов

Оценка расстояния, на котором действуют поражающие факторы аварии

Газопровод

Местоположение относительно поверхности земли

Определение массовой скорости истечения


Подводный

Расстояние до здания, размеры помещения

Не соответствует

Соответствует

Сравнительный анализ количественных показателей риска аварии с критериями приемлемого риска

Рекомендации

по снижению риска

Рекомендации по поддержанию риска на существующем уровне

Основные виды опасностей на объекте и рекомендации по управлению этими опасностями

Решение о техническом

диагностировании газопровода

Идентификация возможных объектов поражения

Поврежден при ведении земляных работ

Подземный


Оценка возможных объектов поражения

Оценка объема потерянного газа

Оценка возможного числа пострадавших


Наземный/

надземный




Оценка экономического ущерба от аварии


Нет

Статистические данные

Метод бальной оценки

Дерево отказов

Дерево событий



Математическое ожидание экономического ущерба от аварии