Краткое содержание темы

Обстоятельства взрыва автоцистерны, перевозившей СПГ (один человек погиб, двое ранены), изучаются. Анализ показывает, что этот взрыв стал результатом повреждения цистерны, когда выброс паров закипевший жидкости привел к их воспламенению и взрыву (этот процесс обозначен аббревиатурой BLEVE). Исследован уровень избыточного давления и выброса термической энергии. Лишь относительно небольшая часть энергии, освобожденной в результате взрыва, вызвала ударную волну. Крупные фрагменты (три части, на которые разорвало автоцистерну) и двигатель грузовика разбросало во все стороны по главной оси движения.

© 2004 Elsevier Ltd. Все права защищены.

Ключевые слова: Explosion; BLEVE; Fireball; Transportation; Natural gas.

_____________________________________________________________________

1. Вступление

Крупные объемы опасных материалов (химикаты, углеводороды) ежедневно перевозятся различными транспортными средствами (по рельсам, дорогам, морю и т.д.). Часто такие материалы пересекают населенные районы с различной плотностью населения, что усиливает потенциальную опасность в случае аварийной ситуации.

Действительно, значительная часть всех аварий с опасными материалами происходит при их транспортировке. Всестороннее исследование, проведенное с применением базы данных MHIDAS (MHIDAS, 2004, обновлена в апреле 2004 и содержит описания 12.179 аварий, случившихся до июля 2003), показывает, что 43% этих аварий возникло при транспортировке. Такие данные наряду с несколькими катастрофическими авариями стимулировали усилия в течение нескольких последних десятилетий обеспечить более высокий уровень безопасности при транспортировке, особенно в развитых странах.

Тем не менее, аварии при перевозке продолжают происходить, поскольку полностью избежать их практически невозможно. Это – одна из причин, побудивших к проведению исследований аварий, так как они являются единственным источником практических данных в полном масштабе. В данной статье анализируются обстоятельства взрыва автоцистерны, перевозившей сжиженный природный газ, в попытке ответить на вопросы: как и почему это случилось.

2. Аварии при транспортировке СПГ

Упомянутый выше исторический анализ показывает, что из 12.179 аварий, вошедших в базу данных, 8,6% случились во время перевозки шоссейным транспортом. Только 9 из них (около 1%) перевозили СПГ. Из этих девяти четыре связаны с дорожными происшествиями, при которых не случилось ни воспламенения СПГ, ни его утечки. В других трех случаях СПГ вытек, но пожара удалось избежать. Еще в одном случае покрышки грузовика и горючее воспламенились, но СПГ остался в сохранности. И только в одном случае СПГ был охвачен огнем и водитель погиб. Среди 60 случаев взрыва выброшенных паров закипевшей жидкости (BLEVE), включенных в эту базу данных, с СПГ не связан ни один. Однако, как говорится в Главе 5, такая информация могла быть результатом реально существующего недостатка согласованности в определении BLEVE.

Авария

та авария случилась 22 июня 2002 года в 13:30 на шоссе С-44 близ города Тивисса в Каталонии (Испания). Перевозившая природный газ автоцистерна потеряла управление на спуске с холма, возможно, из-за превышения скорости. Автоцистерна перевернулась, завалилась на левый бок и в конце концов прекратила движение на песчаном склоне. Между кабиной и прицепом тут же вспыхнуло пламя, дыма вначале практически не было совсем. Один из свидетелей, оказавшийся на расстоянии примерно 70 метров от места катастрофы, рассказывал, что сначала возник очень высокий столб голубого пламени (другие двое свидетелей, впрочем, этого не подтвердили). Мгновение спустя загорелись покрышки, что сопровождалось небольши-ми хлопками и густым черным дымом. Затем, по утверждению свидетелей, пламя стало расти, стало шириться (см. Илл. 1, фотографию, снятую примерно через 2 минуты после дорожной аварии).

Илл. 1 Автоцистерна через 2 минуты после дорожной

аварии и примерно за 18 минут до взрыва. Легковая

машина оставлена одним из свидетелей, который

спасся бегством.

Пламя могло подпитываться разлившимся из бака дизельным топливом или СПГ (лопнула труба, соединявшая цистерну с аварийным клапаном?), или, что вероятнее всего, и тем, и другим; фотография (илл. 1) показывает наличие белого дыма, который мог быть испарением жидкого газа, вытекавшего из аварийного клапана. Примерно 20 минут спустя после дорожной аварии цистерна взорвалась. Сначала был небольшой взрыв, потом раздалось громкое шипение, а после этого грянул мощный взрыв. Сразу после взрыва пламя исчезло и появилось белое облако. Оно тут же вспыхнуло, создав эффект «огненного облака».

Водитель погиб, а двое посторонних лиц, находившиеся на расстоянии около 200 м от взрыва, были ранены (получили ожоги).

Автоцистерна, построенная всего за 28 месяцев до аварии (тип AISI-304 из нержавеющей стали) имела в диаметре 2, 33 м и в длину примерно 13,5 м. Она была изготовлена из нержавеющей стали (толщина стенок 4 мм, а на торцах – 6 мм). Цистерна имела внутренние разделительные перегородки (каждая 7,5 м³) толщиной в 3 мм и была покрыта внешней защитной полиуретановой оболочкой (130 мм толщиной, самозатухающая, с наружной облицовкой 2 мм слоем алюминия). Цистерны такого рода рассчитаны на рабочее давление в 7 бар и проходят гидравлические испытания давлением в 9,1 бар. Емкость цистерны (56 м³) на 85% была заполнена жидким газом (примерно 47,6 м³ жидкой и 8,4 м³ газообразной субстанции). Температура СПГ в цистерне было немного ниже –160^оС, давление – ниже 1 бар. Цистерна имела пять аварийных клапанов – два одно-дюймовых на 7 бар и один ¾ дюйма на 9 бар, расположенные в верхней части цистерны (зона испарения), и два – ½-дюймовых на 10 бар каждый, расположенные на трубах выгрузки продукта (под цистерной); все эти клапаны соединены с отводной трубой наверху цистерны. Люки на цистернах этого типа не предусмотрены. В алюминиевом топливном баке автоцистерны находилось примерно 0,5 м³ дизельного топлива.

Первый взрыв, потом громкое шипение и затем мощный взрыв свидетельствуют о двухступенчатом повреждении цистерны (Venart, 2000): образование первой трещины от термального удара на очень горячем участке стенки, который потом был задержан на более холодном и прочном участке (в зоне испарения температура металлической стенки мгновенно резко меняется под воздействием огня); затем при новом термальном ударе образовалась другая трещина от кончика первой трещины в результате охлаждающего эффекта двухступенчатого выхода продукта через трещину, и это привело потом к катастрофическому разрушению цистерны.

4. Результат взрыва

В результате взрыва автоцистерны произошла ударная волна, мощный выброс термальной энергии и продукта.

4.1 Оценка ударной волны

Этот взрыв был очень сильным и разорвал цистерну и грузовик на несколько фрагментов на значительные расстояния от эпицентра и вызвал мощную ударную волну.

Для расчета энергии, освобожденной в результате взрыва (такой расчет нужен для определения силы ударной волны) необходимо знать уровень давления внутри цистерны в момент взрыва. Но, к сожалению, этого мы никогда не узнаем, поскольку не знаем, какова была температура находившегося в цистерне содержимого. Удар о препятствие и об землю привел к разрушению части термостойкой облицовки, и часть внешней поверхности оказалась в прямом контакте с пламенем. Изучение останков цистерны показало, что пламя, вероятно, охватило верхнюю часть цистерны, которая не находилась в непосредственном соприкосновении с жидким содержимым, но из-за значительного нагрева стальной стенки этот участок стал «слабой зоной», где и появилась трещина.

Для определения силы ударной волны важно принять во внимание и то, что на расстоянии 125 м от взрыва находился дом, стекла в окнах которого остались целыми. Поэтому при экспертизе было решено считать это расстояние максимальным, на котором взрывная волна способна выбить стекла в оконных рамах.

Это соответствует величине силы ударной волны примерно в 0,03 бар (Casal, Montiel, Planas & Vilchez, 2001). Пользуясь этой классической формулой расчета затухания мощности ударной волны при удалении от точки взрыва, установлена пропорция: 40 м кг^-1/3. Обычно расчет мощности взрыва по такой формуле составил бы 30 кг тротила. Но, учитывая характер разлома цистерны, есть основания полагать, что мощность взрыва оказалась эквивалентной 75 кг тротила. Теперь можно вычислить уровень давления внутри цистерны непосредственно перед взрывом. С учетом всевозможных отклонений и погрешностей такой уровень предположительно составил 8 бар.

4.2 Разброс фрагментов

При взрыве цистерна оказалась разорванной на несколько крупных фрагментов. Одна линия разрыва пошла по продольной трещине, две других – по поперечным трещинам, которые не совпали со сварочными швами цистерны. Разделительные перегородки были выброшены наружу. Два крупных фрагмента (см. Илл. 2-5) передней и задней торцевыми частями цистерны. Задняя торцевая часть (вместе с частью механической конструкции грузовика) длиной примерно 5 м была отброшена на 80 м. Передняя часть длиной 4 м пролетела 125 м и ударилась о стену дома. Двигатель и кабина водителя были найдены на расстоянии 257 м от места взрыва. Многие другие, менее крупные фрагменты автоцистерны (перегородки, облицовка изоляции) были разбросаны на большом пространстве. Правый бок цистерны обгорел, хотя на ее левой стороне (лежавшей на земле во время пожара) следов воздействия огня не обнаружено.

Илл. 2 Тыльная часть автоцистерны

Как хорошо видно на Илл. 6, все основные фрагменты (обе торцевых части, отдельные фрагменты конструкции, центральная секция цистерны и двигатель автомобиля), а также место нахождения автомобиля в момент взрыва – находятся практически на прямой линии. А опыт говорит, что при взрыве цилиндрических цистерн обломки чаще разлетаются во все стороны, согласуясь с траекториями главных фрагментов.

4.3 Термический эффект

Учитывая, что вся масса содержимого цистерна образовала «огненное облако», это составило 19 000 кг СПГ. Принимая во внимание размер и продолжительность «огненного облака», можно рассчитать его параметры с учетом следующих величин (Casal и др., 2001; CCPS. 1994):

D = 150 м

t = 12 сек.

Н = 113 м

где Н – высота от центра «огненного облака» до поверхности земли.

Два человека были ранены (ожоги первой и второй степени) на расстоянии 200 м от автоцистерны. Для расчета величины выброса термической энергии можно применить модель сплошного огня. Предположим, что относительная влажность воздуха составила 50%, удельный коэффициент пропускания атмосферы6 t = 0,68. Визуальный фактор составит: F = 0,1. Взяв за коэффициент выброса термической энергии 0,25, мы получим мощность эмиссии «огненного облака»: Е = 260 квт/м².

Илл. 3 Передний фрагмент цистерны

Максимальное воздействие на объект на расстоянии 200 м выразится формулой: I = t x F x E_p = 18 квт/м². Принимая во внимание что люди в это время стояли (т.е. находились в вертикальном положении), уровень воздействия на них термической энергии должен был составить 16 квт/м²

Илл. 4 Центральная часть цистерны

Илл. 5 Обломки грузовика

Илл. 6 Разброс фрагментов

Это соответствует дозе 4,8 х 10⁶ сек. (вт./ 18 квт/м²)^4/3. При оценке состояния пострадавших было установлено, что они получили ожог первой степени на 95% поверхности тела и на 5% - ожог второй степени. Это вполне согласуется с условиями происшествия. Стоял солнечный теплый день, находившиеся на расстоянии 200 м от взрыва люди были очень легко одеты, и поэтому получили столь серьезные травмы.

5. BLEVE или не BLEVE?

Взрывы выбросов испарений кипящего сжиженного газа изучены Уоллсом (Walls,1979), одним из специалистов, предложивших акроним BLEVE – “разрешение крупного контейнера на два и более фрагмента, случившееся в момент, когда температура контейнера превысила точку кипения вещества при нормальном атмосферном давлении”. Райд (Reid, 1976) определил BLEVE как «внезапная потеря герметичности сжиженного газа при его перегреве в нормальных атмосферных условиях». Такое определение широко применялось в течение многих лет. Но в последние годы было предложено менее категоричное определение, встретившее поддержку различных специалистов (CCPS, 1994): «взрыв, случившийся в результате разрушения емкости с сжиженным газом при температуре, значительно превышающей точку кипения этого вещества при нормальном атмосферном давлении». Понятно, что классификация этой аварии как BLEVE или не BLEVE зависит от определения.

Для определения, являлась ли эта авария BLEVE или нет по критериям Райда, анализировалась касательная кривой отделения в критической точке. Взяв две точки такой кривой, например, для метана (Р_с = 46,99 бар, Т_с = 190,6 К; Р = 1,325 бар, Т = 115 К), мы получим величины этих двух констант в уравнении Clausius-Clapeyron в виде: В = 1028,4, А = 9,22. Поэтому прямая касательная линия к кривой отделения в критической точке будет иметь крутизну м = 1,3 и ординату при Т = 0 К равную-201,8. Таким образом, равенство линии, касательной к кривой отделения в критической точке составит:

Р = 1,3 Т – 201,8

При Р = 1 ото соотношение ограничивает температуру перегрева до 156 К. Тогда, если это BLEVE, то метан теоретически должен нагреться до температуры выше 156 К (минус 117^о С). Нормальная температура хранения метана составляет не выше 113 К (минус 160^о С), но в этом регламенте учтен большой запас безопасности (Casal и др., 2001). На практике предельная температура перегрева может быть установлена в 170 К (минус 103^оС)

Соответственно уравнению Clausius-Clapeyron для метана при 156 К давление внутри цистерны должно быть 13,9 бар, а при 170 К – становится 23,8 бар. Поэтому по таким критериям чтобы попасть в категорию BLEVE, давление внутри цистерны должно составлять примерно в интервале от 14 до 24 бар.

Возможно рассчитать мощность ударной волны и для более низких величин давления. При уровне давления внутри цистерны в 14 бар такой расчет покажет, что мощность ударной волны будет эквивалентна взрыву 130 кг тротила. Это создает сверхдавление уровня 0,04 бар на расстоянии 125 м, способное выбить в домах стекла вместе с рамами. Поскольку в нашем случае этого не случилось, можно сделать вывод, что давление внутри цистерны в момент взрыва было ниже уровня, которым определяется BLEVE по критериям Райда. Однако следует и учесть тот фактор, что ударная волна при взрыве может распространяться не равномерно во все стороны, а носить направленный характер.

Если принять во внимание прочие критерии, как, например, классификация BLEVE CCPS (1994), тогда случившуюся аварию можно отнести к категории BLEVE.

6. Выводы

Исторический анализ происшествий подобного рода показывает, что дорожные аварии с СПГ довольно редки (менее 1% от всех аварий при транспортировке этого продукта).

Взрыв возник из-за воспламенения во время дорожной аварии. Пока неясно, образовавшееся пламя (примерно 13 метров высотой) было вызвано воспламенением горючего в баке или утечкой СПГ, а возможно, - и тем, и другим. Обследование показало, что пламя коснулось правой стороны цистерны, которая не находилась в прямом контакте с СПГ. Во всяком случае, через 20 минут после начала пожара цистерна взорвалась. Взрыв был двухступенчатым: сначала образовалась трещина в корпусе, которая сопровождалась выходом продукта в два этапа, а потом – новая трещина с катастрофическими последствиями для автоцистерны. Расчеты, проведенные с помощью изучения влияния сверхдавления с описанными результатами, показали, что давление внутри цистерны непосредственно перед взрывом могло быть и ниже того уровня, который позволил бы отнести инцидент в категории BLEVE по классификации Райда (1976).

Илл. 7 Автомобиль, находившийся в нескольких метрах от места взрыва

Однако для полной идентификации по Райду у нас нет данных о направленности ударной волны. По менее строгим критериям (CCPS, 1994) данный инцидент может быть отнесен к категории BLEVE.

Механические разрушения были очень велики. Значительная часть освобожденной в результате взрыва энергии разорвала и деформировала цистерну и конструкцию грузовика (которая сначала была повреждена огнем) и разбросала части автоцистерны на большие расстояния. Энергия, преображенная в мощную ударную волну, была, по всей видимости, не очень высокой. Это подтверждается состоянием автомобиля, находившегося всего в нескольких метрах от взрыва (см. Илл. 7). Это подтверждает теорию, что лишь ограниченная часть (40-50%) освобожденной в результате взрыва энергии можно принимать во внимание при расчете мощности ударной волны.

Что касается выброса термальной энергии, анализ и сопутствующие обстоятельства показывают, что практически все содержимое цистерны трансформировалось в «огненное облако». А если учесть траекторию разброса фрагментов, то эта авария снова показала, что основные фрагменты цилиндрических емкостей обычно разлетаются в одном направлении вдоль главной оси цистерны.

Примененное на цистерне изоляционное покрытие было полиуретановым, воспламеняющимся и самозатухающим материалом. Думается, что замена такой оболочки негорючей изоляцией (например, минеральной ватой) и алюминиевая облицовка стальной поверхности может повысить уровень защиты.

Использованная литература

Blog

Краткое содержание темы

Содержание

ВЗРЫВ АВТОЦИСТЕРНЫ СО СЖИЖЕННЫМ ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ

Краткое содержание темы

Н = 113 м