Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

АР,КПа

-2,

е -

о г 4 Р б Е'Ю,м

Рис. 5.17. Зависимость избы-

точного давления на фронте

ударной волны от расстояния

до места взрыва в области дав-

лений 100—10 кПа (а) и 10—

2 кПа (б):

б" 10 15

К-Ю~

,М

—

по наблюдаемым уровням раз-

рушений; 2, 3

—

по расчетным зави-

симостям

№=520 т (2), 300 т (3)

Зависимости избыточного давления взрыва АР и константы

уровней разрушения К от расстояния от места взрыва приведе-

ны на рис. 5.17. Точка пересечения кривой 1 (рис. 5.17, а) с

кривой 2 соответствует равенству наблюдаемого и расчетного

давлений АР

—

40 кПа на расстоянии 650 м от места взрыва. На

удалении до 1500 м различия наблюдаемого и расчетного давле-

ний незначительны. Расчетные зависимости давления на фронте

ударной волны от расстояния при взрыве конденсированного

ВВ, эквивалентного 300 т, существенно различаются в об-

ластях как высоких, так и низких давлений (рис. 5.17, б, кри-

вая 3). В областях высоких давлений наблюдаемому уровню

разрушений наиболее соответствует расчетное значение 117=

= 520 т. В области низких давлений (рис. 5.17, рис. 5.18) име-

ются существенные различия в зависимостях давлений от рас-

стояния для эквивалентных взрывов конденсированных ВВ

(кривые 2, 3) и парового облака (кривая I). При №=520 т

во взрыве непосредственно участвовало «115 т газов (около

10% массы парового облака и 7,5% расчетной массы сжижен-

ного газа, выброшенного в атмосферу до момента взрыва).

Катастрофические масштабы и тяжелые последствия аварии,

как уже было сказано, были обусловлены большими энергети-

1ескими запасами системы, значительной скоростью истечения

кидкости в атмосферу и длительным временем с момента раз-

)ушения трубопровода до воспламенения смеси, что привело к

>бразованию гигантского облака в наземном слое атмосферы.

Газета «Правда» за 1 июля 1989 г. сообщала, что в процес-

е пускового периода строительства магистрали из проекта были

сключены многочисленные противоаварийные элементы, в том

Рис. 5.18. Зависимости избыточного давле-

ния от приведенного расстояния для обла-

стей избыточного давления 100—30 кПа (а)

и областей низких давлений 30—1 кПа (б):

—

по наблюдаемым уровням разрушения: 2

—

по

расчетным зависимостям &Р-=К№ Р-КХС^/

при К',-520 Т

числе диспетчерская связь. Оперативная связь с персоналом по

трассе стала невозможна. Исключили и автоматизацию задви-

жек, когда нажатием одной кнопки можно было с диспетчерс-

кого пункта перекрыть любую из них. Поэтому в случае ЧП на

вертолете должна вылетать специальная бригада, искать место

аварии и вручную эту задвижку закрывать. В результате время

обнаружения возможного нарушения герметичности трубопро-

вода и блокирования разрушенного участка исчисляется не

десятками секунд, а многими часами (в зависимости от погод-

ные условий). В практически неуправляемой системе в экстре-

мальных условиях ежесекундно увеличивается масса парового

облака, которое распространяется на несколько километров

над поверхностью земли на высоте 5—10 м. Происшедшая ка-

тастрофа помимо всего перечисленного выше была обусловлена

необоснованно завышенными диаметрами трубопроводов тран-

спортной системы, большой протяженностью секций (расстоя-

ний между отключающей арматурой), длительным временем

обнаружения мест разгерметизации и локализации аварийных

участков,

За рубежом подобные транспортные магистрали сооружа-

ют, как правило, из трубопроводов диаметром не более 0,35 V

с автоматизированными системами посекционного аварийное

. отключения; расстояние между ближайшими перекрывающим!

устройствами со временем срабатывания, исчисляемым десят

ками секунд, составляет «500 м. Поэтому при возникновени

аварии даже в экстремальных условиях масса углеводородов

паровом облаке не может превысить 2 т.

Возможные масштабы последствий аварии, прежде всего,

должны оцениваться по общему запасу энергии в системе

(технологическом блоке), которая может неуправляемо высво-

бождаться при аварийных ситуациях. Как уже отмечалось,

опасность перегретых жидкостей (сжиженных газов) обуслов-

лена их высокой объемной плотностью, большим запасом энер-

гии, способностью к мгновенному испарению при выбросах

в атмосферу. Эти особенности существенно отличают их от

высококипящих нефтепродуктов и сжатых газов. Тем не менее

для простоты исполнения транспортная система сжиженного

газа была выполнена по нормам и правилам обычных нефте- и

газопроводов, что позволило без обоснования завысить диаметр

трубопровода и длину секции между отключающими устройст-

вами. В результате даже при своевременной локализации ава-

рийного участка (разрыв трубопровода произошел посредине

секции длиной 10 км) в сложившихся условиях в окружающую

среду могло выделиться до 2000 т продукта, тротиловый экви-

валент которого 10—13 кт. Этот объективный количественный

показатель опасности трубопровода не должен был игнориро-

ваться.

Однако имеются и другие точкй зрения. В официальном

сообщении Госстроя СССР говорится, например, что стандарт

США для трубопроводов сжиженных газов не ограничивает

максимальный диаметр, и строительство их диаметром не более

350 мм для перекачки аналогичных продуктов может быть

объяснено только отсутствием необходимости в перекачке

большого количества продуктов. Расстояния от трубопроводов

сжиженных газов диаметром 720 мм в 1000 м от населенных

пунктов и 800 м от железных дорог в несколько раз превышают

нормативы для отечественных и зарубежных трубопроводов.

Стандарт США, кроме того, предусматривает прокладку таких

труб непосредственно по территории населенных пунктов без

противопожарных разрывов. На этом основании ^утверждается,

что проектная документация транспортной системы соответст-

вует действующим нормам и правилам и обеспечивает пожаро-

и взрывобезопасную эксплуатацию объекта при соблюдении

предусмотренных проектом мероприятий. В действительности

же такие субъективные требования без объективной оценки

опасности освобождают проектные организации от необходи-

мости разработки эффективных мер защиты.

Транспортная магистраль была проложена без оценки не-

управляемого энерговысвобождения, и в зоне поражения оказа-

1ись жилые массивы с численностью населения 80 тыс. человек

I Златоусте, жилая и промышленная застройка в Симе, боль-

[ичный комплекс в Юрюзани, зерносклад совхоза «Красное

1оле», железнодорожная ветка к складу ВВ комбината «Маг-

езит». В непосредственной близости от трубопровода оказа-

ись десятки других городов и поселков, а также железная

эрога на протяжении 276 км,

В средствах массовой информации сообщалось, что трубо-

провод на участке, на котором произошла авария, был выпол-

нен с технологическим браком. Проверенное приборами состоя-

ние изоляции на этом участке показало, что она некачественная

в 348 местах общей длиной «4,5 км. Продуктопровод был

пущен в эксплуатацию с громаднейшими отступлениями от про-

екта, норм и правил; изоляция намотана вручную на грязную,

неочищенную поверхность трубы; система электрической защи-

ты в работу не была включена; электропитание к линейным

крановым узлам и задвижкам не подведено.

Особое внимание следует обратить на низкое качество

металла труб. Продуктопровод более чем на 90% был смонти-

рован из стальных труб, не обладающих достаточной хладо-

стойкостью — сталь была непригодна для эксплуатации в ус-

ловиях Сибири и Урала в зимний период. При истечении

сжиженного газа через микротрещины, выявить которые при

эксплуатации невозможно, происходит охлаждение стенки тру-

бы, приводящее к ее разрушению; количество выходящего

продукта (исходя из опыта происшедших аварий) составляет

300—1200 т и представляет опасность на расстоянии 1,8 км от

места истечения. Результаты исследования двух отрезков трубы

(вырезанных из взорвавшегося трубопровода, бывшего в эк-

сплуатации) показали следы сульфидной коррозии (при водо-

родном охрупчивании труба становится более хрупкой, менее

вязкой).

Подробно сообщалось о низком качестве монтажа трубо-

провода: «Шансов попасть в землю целенькой у магистрали

было немного. Трубы без крана могли сгрузить с плетьевоза,

могли штабелировать с помощью бульдозера или «погладить»

ковшом экскаватора, подводя в запоздалую траншею, или бро-

сить в скальный грунт. Дренаж, изоляция — в клочья».

При сплошном покрытии 3 км трассы установлено 528 меха-

нических повреждений труб. Царапина безопасна только сна-

чала, за ней следуют микротрещины, а далее свищ от темпе

ратурного охлаждения при испарении сжиженного газа, металл

охрупчивается и от незначительного гидравлического удара мо

жет разрушаться. Возможности же гидравлических ударов

транспортной системе такой протяженности огромны, так ка

значительная ее часть проходит по пересеченной горной мест

ности и давление в ней постоянно меняется.

Транспортная система была допущена к использовании

исходя из допустимого уровня производственного и экологиче<

кого риска, рассчитанного по теории вероятности и математиче

кой статистики. При оценке же реальных проектных решени

состояния комплекса и конкретных элементов системы и факт

ров опасности специалисты установили, что конструкция

гарантирует уровень надежности, обеспечивающий безопасное

работы.

При вскрытии 861 участка лродуктопровода обнаружено

418 дефектов изоляции и 65 —металла; 486 дефектов продукто-

провода выявили эксперты при вскрытии 4320 м трассы. По

результатам исследований сделан вывод: использование .такой

транспортной системы — преступление, так как может привести

к катастрофе с непредсказуемыми последствиями. Все это ста-

ло предпосылкой аварии и неуправляемости ее развития.

Специалисты утверждают, что ежегодно только на основ-

ных магистралях происходит до 20 крупных аварий. За 4 мес.

до катастрофы на том же продуктопроводе (вследствие его

разрушения) в 194 км от Тобольска был сильный взрыв, при-

чем тоже в 1,5 км от железнодорожной магистрали.

19 февраля 1989 г. газета «Правда» в корреспонденции

«ЧП в лунную ночь» сообщала о крупной аварии — разрушении

'того же магистрального трубопровода совсем рядом с железной

дорогой. В тот раз громадное облако взрывоопасного газа и

плотного тумана не приблизилось к железной дороге из-за силь-

ного мороза и отсутствия ветра. При низких температурах

окружающей среды энергия перегрева перекачиваемого продук-

та была минимальна, а скорость парообразования разлитой

жидкости мала, что ограничило масштаб аварии. По сообщению

очевидцев, невдалеке от своего поселка на территории прохож-

дения продуктопровода жители обнаружили «озеро», образо-

вавшееся вследствие утечки нефтепродуктов. Полагают, что

жидкость в этом «озере» состояла главным образом из пента-

нов, гексана и более тяжелых углеводородов, так как легкоки-

пящие этан, пропан и бутан испарились и рассеялись в атмос-

фере.

При столь огромных расстояниях распространения паровых

облаков практически нереально предвидеть источники их вос-

пламенения. Ими могут быть механизмы с двигателями внут-

реннего сгорания, открытая электроаппаратура и электросети,

открытый огонь и, безусловно, железные дороги.

Для обеспечения безопасности движения поездов в местах

пересечения железных дорог с трубопроводными магистралями

или вблизи хранилищ сжиженных газов и других объектов, на

которых возможно образование паровых облаков, необходимы

предупредительная сигнализация об опасной загазованности,

автоматические устройства оповещения работников железных

порог о загазованности или утечке газа, а также установка в

местах перехода через железнодорожные пути предупреждаю-

цих надписей и знаков, позволяющих предотвратить наруше-

шя охранной зоны и остановку транспорта в опасных зонах,

5.6.2. Уроки зарубежного опыта

Для оценки опасности трубопроводов сжиженных газов

ольшой интерес представляет зарубежный опыт. Так. в Порт-

адсоне (США) в декабре 1970 г, при механическом разру-

шении трубопровода диаметром 0,2 м, работающего под давле-

нием жидкого пропана 6 МПа, образовалось гигантское облако

паров, воспламенившихся спустя 20 мин с момента аварии.

В то время это был самый крупный взрыв парового облака,

однако благодаря малонаселенности района города, где про-

изошел взрыв, и задержки времени воспламенения, в течение

которого произвели эвакуацию жителей, людские потери не бы-

ли большими.

Количество выброшенного жидкого пропана до взрыва со-

ставляло «60 т. Размеры образовавшегося облака: длина

500 м, ширина 16—20 м, высота 1—7 м. Оно покрывало площадь

над поверхностью земли около 6 тыс. м

. Полагают, что вос-

пламенение произошло от искрового разряда термостата в зда-

нии склада из бетонных блоков, расположенного в 300 м от

места утечки в направлении ветра. В непосредственной близо-

сти от источника зажигания было частично разрушено одно

здание, но стены его не пострадали; ограждения, телеграфный

столб остались нетронутыми. Однако 37 сооружений, находя-

щихся в радиусе 1,85 км от места аварии, были разрушены.

Из многих сообщений об эквиваленте взрыва парового обла-

ка в Порт-Хадсоне наиболее достоверен тротиловый эквивалент,

равный 46 т. По оценкам зон легких разрушений взрыв паров

пропана соответствует тротиловому эквиваленту 64 т. При этом

принято допущение, что на площади с легкими разрушениями

справедлива зависимость /? = /С№

2/3

При катастрофе на участке железной дороги между стан-

циями Аша — Уфа наиболее согласуется с уровнем наблюдае-

мых разрушений кубическая зависимость # = /С№

1/3

при

К = 33. По этой зависимости разрушению остекления зданий в

радиусе 7450 м соответствует тротиловый эквивалент, равный

514 т.

В литературе приводятся различные доли участия пропан;

во взрыве парового облака в Порт-Хадсоне: по одним источни

кам — 7,5 т, по другим — при тротиловом эквиваленте 50 т он,

составляет 20% (расчет выполнялся по количеству пропана

облаке, находящемся в равновесном состоянии). Следует обрг

тить внимание, что эти данные получены без учета потер

энергии в окружающую среду. При более точном расчет

распределения энергии взрыва по официальным нормативны

документам, действующим в СССР, приведенные выше до/

пропана следует умножить на 2,25.

Описаны и другие крупномасштабные аварии, связанные

разрушениями трубопроводов сжиженных газов, котор]

в основном развивались по моделям, взрывных явлений паров!

облаков.

Таким образом, трубопроводы большой протяженности д

транспорта горючих сред, особенно сжиженных газов, след}

рассматривать как потенциально опасные химико-технологич

кие объекты. Уровень опасности их оценивается также и

массе горючих и токсичных продуктов, выбрасываемых в ат-

мосферу.

Методы и средства повышения безопасности таких систем

необходимо выбирать дифференцированно. Например, при про-

хождении транспортной магистрали вблизи населенных пунк-

тов, хранилищ опасных веществ, важных промышленных объек-

тов, железнодорожных и шоссейных дорог общая масса выбро-

сов может быть ограничена до безопасных для этих объектов

значений путем рационального секционирования'трассы и быст-

родействием автоматического блокирования аварийных участ-

ков. В местах прохождения трассы по безлюдной и пустынной

местности возможно оперативное преднамеренное и безопасное

зажигание горючей среды в начальной стадии аварии для ис-

ключения образования паровых облаков больших масс и ката-

строфических взрывных явлений. Особое внимание следует

обратить на оснащение транспортных линий автоматическими

быстродействующими системами обнаружения мест аварийного

нарушения герметичности систем и оповещения персонала о

возникновении аварийных ситуаций.

5.7. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗРЫВЫ ПЕРЕГРЕТЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Энергия перегрева жидкости может быть источником чис-

то физических взрывов, например при интенсивном перемеши-

вании жидкостей с различными температурами, при контакте

жидкости с расплавами металла и нагретыми твердыми тела-

ми. При этом не происходит химических превращений, а

энергия перегрева расходуется на парообразование, которое

может протекать с такой скоростью, что возникает ударная вол-

на. Масса образующихся паров и скорость парообразования при

этом определяются по материальным и тепловым балансам

двух возможных моделей аварийных ситуаций: 1) тепловыде-

ление с парообразованием происходит при постоянном объеме;

2) за тепловыделением при сохранении объема следует расши-

рение с сохранением теплового равновесия.

При смешивании двух жидкостей с существенно разными

температурами возможны явления физической детонации с об-

разованием облака жидких капель одного из компонентов. На-

пример, при разливе 10—18 т сжиженного углеводородного

аза со скоростью 80—130 кг/с по поверхности воды в озере

щаметром 58 м на расстоянии «30 м от места разлива созда-

юсь давление «5-10

Па без химического взрыва.

При смешивании горячей и холодной жидкостей испарение

образовавшейся парожидкостной смеси может иметь взрывной

арактер вследствие тонкого диспергирования капель, напри-

гер расплава, быстрого теплоотвода от них и перегрева холод-

ой жидкости. Такие явления могут сопровождаться возникно-

ением ударных волн. Например, взрыв на вулкане Кракатау

1983 г., гул от которого был сдышен на расстоянии 5 тыс, км

Рис. 5.19. Разрушенная оболочка хранилища жидкого аммиака (по размерам

зданий и мачт можно судить о масштабах катастрофы)

в течение 4 ч, объясняют физической детонацией в результате

тепломассообмена расплавленной лавы с морской водой.

В химической технологии смешивание больших масс жидко-

стей с различной степенью перегрева может привести к разру-

шению аппаратуры и другим опасным последствиям. Так, было

разрушено хранилище жидкого аммиака общей емкостью

15 тыс. м

(Ь = 30 м,

= 20 м), рассчитанное на хранение

10 тыс. м

жидкости при регламентированном избыточном дав-

лении 2—8 кПа и температуре —32—34 °С. Разрушение резер-

вуара произошло от внезапного роста давления в газовом

пространстве, превышающего 10 кПа, на которое были рассчи-

таны сбросные предохранительные устройства.

По конструктивным характеристикам резервуара его разру-

шение могло произойти при давлении 40 кПа (отрыв днища

-корпуса), а кровля могла разрушиться при 270 кПа. Поэтому

при росте давления «начале произошел отрыв днища, вследст-

вие чего содержащийся в резервуаре жидкий аммиак («7,7

тыс. т) полностью вылился в окружающее пространство и рас-

текался на огромной территории предприятия. На рис. 5.15

показана оболочка разрушенного резервуара.

Как было установлено, повышение давления в резервуар<

оказалось возможным при попадании «теплого» (10°С) жидко

го аммиака в нижнюю часть хранилища, его накопления с по

следующим интенсивным испарением. Попадание «теплого:

аммиака могло произойти из системы залива аммиака в желез

нодорожную цистерну, которая была связана с изотермически!

хранилищем технологическими трубопроводами. Для создани

предельного давления в газовой фазе 40 кПа в хранилищ»

содержащем 7700 т жидкого аммиака, в соответствии с расч<

том теплового баланса необходимо было подать «14 т жидког

аммиака с температурой 10 °С. Попадание «теплого» жидко)

аммиака в нижнюю часть хранилища было возможно также

из системы технологических трубопроводов, предназначенных

для его подачи в верхнюю часть резервуара в пусковой период

охлаждения хранилища.

Полагают, что сначала происходило накопление «теплого»

жидкого аммиака в нижних слоях (высота залива жидкого ам-

миака в хранилище составляла ж 15 м при максимальной

20 м) с последующим внезапным перемещением массы жидко-

сти из нижних более перегретых слоев в верхнюю зону, что не-

избежно привело к вскипанию аммиака и интенсивному его

испарению с быстрым нарастанием давления. Дополнительные

исследования технологической схемы хранилища показали, что

попадание «теплого» жидкого аммиака в изотермическое хра-

нилище было возможно при опорожнении сепараторов-расши-

рителей из системы коллекторных трубопроводов, из коллекто-

ра «теплого» жидкого аммиака из-за ошибочных действий

персонала. Повышение давления было возможно также в ре-

зультате переполнения изотермического хранилища. Проведен-

ные же исследования состояния арматуры и других средств

управления не подтвердили, что повышение давления могло

произойти вследствие ошибочных действий персонала.

Существует, однако, твердое убеждение ряда специалистов

о возможности повышения давления в резервуаре до предель-

ных значений при регламентированных параметрах технологи-

ческого режима вследствие «опрокидывания» слоя жидкого ам-

миака. В литературе сообщается о такой возможности.

Расчетами показано, что если 100 т жидкого аммиака с

температурой —32,8°С перемещается к поверхности танка, в

котором аммиак находится при температуре —32,2°С и давле-

нии 0,1 МПа, то образуется «2464 м

паров аммиака; если это

происходит в течение незначительного времени, то система

сброса давления не срабатывает.

Возможными причинами «опрокидывания» могли быть не-

ожиданное возникновение конвекционных явлений в слое жид-

кости; переходы от ламинарной к турбулентной свободной кон-

векции; внезапное изменение в зоне установившейся турбулент-

ной свободной конвекции; изменения абсолютного давления в

танке. Подобные процессы наблюдались на аналогичных уста-

новках аммиака в США, однако физико-химические законо-

мерности этих явлений не выяснены.

Образованию крупномасштабных застойных зон при боль-

ших уровнях заполнения может способствовать сосредоточен-

ный нижний ввод аммиака в изотермическое хранилище. Такие

зоны с градиентами температур могут представлять опасность

«опрокидывания» при потере гидродинамической устойчивости

:истемы. Поступление в изотермические хранилища «теплого»

шмиака по свидетельствам очевидцев иногда сопровождалось

цумом, вибрацией и даже тряской резервуаров, хотя и не при-

юдило к разрушениям.

1—1006

Следует обратить внимание на исключительную важность

стабилизации температурного режима в хранилище, исключение

температурных градиентов во всей массе жидкого аммиака,

снижение диапазона регламентированного давления в резервуа-

ре, исключение его превышения до критических значений при

ошибочных действиях персонала.

Разрушению резервуара наряду с технологическими причи-

нами, способствовали конструктивные особенности самого резер-

вуара, его крепление к опорной фундаментной плите. При мон-

таже резервуара не были обеспечены условия равномерного

нагружения анкерных связей, выполненных в виде стальных

полос, приваренных к нижней части вертикальной цилиндричес-

кой стенки резервуара и проходящих через отверстия в верхней

фундаментной плите. Приварка анкерных лент к резервуару и

косынок к ним с нижней стороны плиты производилась при на-

груженном резервуаре (при заливе водой). Однако вследствие

установки днища на неоднородное основание (теплоизоляцион-

ный материал на плите из блоков пенопласта и насыпного пер-

лита) не обеспечивало необходимое равномерное нагружение

всех анкеров во время эксплуатации хранилища. Толщина верх-

ней монолитной железобетонной плиты была вдвое меньше с

закладкой центральной части сборными железобетонными пли-

тами. Такая плита в процессе эксплуатации могла деформиро-

ваться до пределов разрушения при расчетном давлении в ре-

зервуаре 0,01 МПа.

В результате неравномерного нагружения анкерных связей

и возникновения растягивающих напряжений в арматуре плиты

произошло ее разрушение по ослабленному месту сопряжения

монолитного железобетона (окрайки) со сборными железобе-

тонными плитами в центральной части. Разрушение плиты мог-

ло привести к подъему резервуара, к еще большей неравно-

мерности нагружения анкеров и далее к обрыву наиболее на-

груженных из них и отрыву днища на этом участке.

Таким образом, уменьшение толщины верхней фундамент-

ной плиты (с 700 мм до 350 мм), использование железобетон-

ных плит в качестве опалубки, установка днища на выравнива-

ющий слой из легкоуплотняющегося перлита, снижающего

необходимую жесткость под окрайкой и неравномерное натяже-

ние анкеров значительно уменьшали надежность конструкции и

создавали предпосылки для непредсказуемых последствий при

эксплуатации хранилища.

Наряду с совершенствованием технологии, исключающей

возможность повышения давления в резервуаре, все конструк-

тивные строительные элементы и проектные решения изотерми-

ческих хранилищ сжиженных газов должны рассчитываться на

максимально тяжелые, но реально возможные условия эксплу-

атации.