Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 7.8 Ограждающая железобетонная конструкция, разрушенная от гидрав-

лического удара истекающего жидкого аммиака из резервуара при отрыве

днища

ниях от заданных режимов; обеспечить повышение эффектив-

ности теплоизоляции в хранилищах; решить вопросы локализа-

ции и сбора сжиженного газа при аварийных проливах его в

обвалование или железобетонный «стакан» с разработкой эф-

фективных мер, обеспечивающих снижение объема образую-

щегося при аварии первичного облака; повысить надежность

соединений рулонных конструкций окрайки днища и цилиндри-

ческой части резервуаров для хранения сжиженных горючих и

токсичных газов, а также обеспечить возможность контроля со-

стояния и работы анкеров двухстенных изотермических резер-

вуаров; разработать меры повышения устойчивости конструк-

ций (элементов) ограждений изотермических резервуаров с

учетом динамического воздействия при истечении рабочего

объема жидкости в аварийных условиях и воздействия ударной

волны в особых условиях.

Следует особо выделить опасность разрушения строитель-

ных конструкций гидродинамическими ударами истекающих

парожидкостных сред, которые вероятны при аварийных рас-

крытиях технологических систем как с перегретыми, так и с за-

холоженными жидкостями. На рис. 7.8 показана разрушенная

ограждающая конструкция изотермического хранилища захо-

ложенного сжиженного аммиака. Другой пример — при разру-

шении цистерны с перегретым жидким пропаном огромной

струей парожидкостной смеси общей массой «12 т была раз-

рушена стена здания, выполненная из железобетонных блоков,

опиравшихся на бетонный фундамент. Парожидкостная струя

пропана была направлена на стену под углом 45°, Все это еще

раз подтверждает необходимость количественной оценки гид-

родинамического воздействия проливающихся жидкостей на

ограждающие конструкции.

Ошибочной представляется однозначность требований неко-

торых нормативов, ограничивающих высоту ограждающих кон-

струкций не более 0,6 м от уровня земли. Большая часть круп-

ногабаритных емкостей сжиженных газов оказывается за пре-

делами ограждений, и при нарушении герметичности оболочек

разлив жидкости происходит на огромных, практически неогра-

ниченных площадях.

7.5.1. Катастрофа на изотермическом хранилище

жидкого аммиака

Уже отмечалось, что наиболее безопасными и перспективны-

ми хранилищами больших масс сжиженных газов являются

изотермические (при низких температурах и давлениях), в ко-

торых единственным источником интенсивного парообразова-

ния при разливах жидкости может быть энергия окружающей

среды. Однако катастрофа в Ионаве (ПО «Азот», 1990 г.) вы-

звала сомнения у ряда специалистов в правильности' утвержде-

ния о высоком уровне безопасности изотермических хранилищ

сжиженных газов. Тем не менее это не должно привести к по-

спешной переориентации в выборе методов хранения сжижен-

ных газов, поскольку такой вывод можно сделать лишь после

изучения и устранения ошибочных проектных и конструктор-

ских решений изотермических хранилищ, которые послужили

причиной разлива огромной массы сжиженного газа и скоро-

течного парообразования при теплоотдаче от окружающей сре-

ды. Ниже все аспекты возникновения и развития катастрофы

в Ионаве рассматриваются подробно.

Изотермический резервуар (рис. 7.9) представляет собой

двухстенный сосуд с расстоянием между наружной и внутрен-

ней стенками и крышей 0,6 м и между днищами 0,45 м. Резер-

вуар рассчитан на хранение жидкого аммиака плотностью

0,68 т/м

с внутренним избыточным давлением 0,002—0,008 МПа

с температурой от —32 до — 34 °С, расчетное давление в резер-

вуаре 0,01 МПа, вакуум — 0,0005 МПа. Объем резервуара

15322 м

, вместимость жидкого аммиака — 10 тыс. т, макси-

мальная высота жидкости — 21,3 м.

Внутренний резервуар изготовлен из стали 09Г2, внешний

корпус, который должен выдерживать и давление осушенного

азота, и нагрузку от теплоизоляции,— из стали ВСтЗспб. Рас-

четное давление в межстенном пространстве 500 Па, рабочее —

200 Па — обеспечивается газгольдером постоянного давления

переменного объема за счет подвижной диафрагмы постоянной

массы.

В межстенном пространстве к внешней боковой поверхносп

внутреннего резервуара подвешены два слоя полужестких плит

от

Теплый газообразный

к аммиак аммиак

Жидкий

аммиак

Рис. 7,9. Изотермический резервуар жидкого аммиака:

7 — дыхательный клапан. 2 — теплоизоляция стен и крыши (перлит); 3 — теплоизоляция

днища (блоки из пеностекла); •( — опорная плита; 5

—

фундаментная плита; « — предо-

хранительные клапаны

из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связу-

ющем Зазор между плитами и внешним корпусом, а также

между кровлями засыпан перлитом. Между днищами находит-

ся слой теплоизоляции, состоящий из трех слоев блоков из пе-

ностекла на цементном растворе. Поверх блоков под внутрен-

ним днищем уложен выравнивающий слой из кварцевого песка

толщиной 70 мм. Резервуар расположен на железобетонной

плите фундамента и крепится к ней 36 анкерами.

Фундамент диаметром 31,7 м представляет собой две раз-

дельные монолитные железобетонные плиты (каждая толщиной

350 мм) с арматурой. Верхняя плита свободно опирается на

железобетонные столбы сечением 500X500 мм, жестко соеди-

ненные с нижней фундаментной плитой.

Ограждающая железобетонная стенка из монолитного же-

лезобетона толщиной 400 мм и высотой 14,1 м предназначена

для уменьшения зеркала испарения аммиака и ограничения

площади его растекания при повреждении резервуара. Стенка

через рубероидную прокладку свободно опирается на монолит-

ный фундамент и рассчитана на гидростатическое давление

Жидкости

Для поддержания давления в хранилище в рабочих преде-

лах и не выше расчетного предусмотрены: выдача газообразно-

го аммиака на всас первой ступени турбокомпрессоров, уста-

новленных ц крупнотоннажном агрегате аммиака; два аммиач-

263

алых поршневых компрессора цикла хранения (подача каждого

323 м

/ч, один — с электроприводом, второй — с дизелем), вклю-

чаемых в работу при отключении компрессоров; факельная

установка производительностью 500 кг/ч; два предохранитель-

ных клапана пропускной способностью 4200 м

/ч каждый; два

дыхательных клапана для защиты хранилища при создании

вакуума. Изотермическое хранилище имеет систему сигнали-

зации и блокировки по давлению газообразного аммиака и

уровню жидкого аммиака, Жидкий аммиак с температурой не

выше — 30°С поступает в нижнюю часть резервуара, выводится

также оттуда и центробежными насосами направляется на за-

полнение железнодорожных цистерн.

С целью упрощения строительных работ, экономии материа-

лов и трудовых затрат были изменены конструкции верхней и

Нижней плит железобетонного фундамента, колонн, фундамен-

та, толщина ограждающей стенки, что уменьшило несущую

способность верхней железобетонной плиты и прочностные ха-

рактеристики ограждающей железобетонной стенки. Тепловую

изоляцию днища под окрайкой внутреннего резервуара выпол-

нили по первичному проекту, в котором выравнивающий слой

Предусматривался из перлита. В выданном после монтажа

стенки измененном проекте выравнивающий слой был из квар-

цевого песка, который и использовали только под днищем внут-

реннего резервуара без окрайки шириной 1,5—2 м. На одном

листе нижнего пояса внутреннего резервуара ультразвуковым

методом обнаружено расслоение металла длиной до 800 мм,

шириной 60 мм и глубиной до 4,5 мм с выходом на поверх-

ность. После закрепления анкера ниже дефектного места реши-

ли восстановить анкерную полосу с помощью накладки. Это

свидетельствует о том. что анкер остался в ненагруженном со-

стоянии.

В связи с неудовлетворительной работой турбокомпрессоров

6 процессе эксплуатации разрешили выдачу холодного аммиа-

ка на изотермическое хранилище с температурой —28°С. При

замене предохранительных клапанов в январе 1989 г. дубли-

рующее устройство их переключения не установили, однако от-

ключающая арматура после аварии найдена в открытом поло-

жении,

К 20 марта 1989 г. один из турбокомпрессоров находился

на длительном ремонте, а второй в 10 ч этого дня остановил!

для кратковременного ремонта. Пуск поршневого компрессор?

для отсоса газообразного аммиака задержался из-за затрудне

ний с открытием задвижки на подаче охлаждающей воды

В изотермическом хранилище находилось «7000 т жидкого ам

миака, давление (по показаниям начальника отделения) состаг

Ляло 0,007 МПа, Аппаратчик приступил к операциям по пр<

Крашению приема холодного аммиака, отключению газообра,

ного аммиака от компрессора и открытию сброса газообраЗН<

то аммиака на факел Подачу Жидкого продукта перевели 1

264

склад теплового аммиака под давлением, прекратили залив

железнодорожных цистерн холодным аммиаком,

В 11 ч—11 ч 15 мин произошло разрушение изотермическо-

го резервуара. Во время аварии его приподняло и отбросило в

сторону примерно на 40 м. При падении были разрушены

ограждающая железобетонная стенка, часть эстакады с комму-

никациями, смят азотный газгольдер. Жидкий аммиак вылился

на территорию и большим потоком хлынул в сторону производ-

ственных корпусов нитрофоски. При этом возник пожар в тех-

нологическом отделении и на складе нитрофоски. Из-за сильной

загазованности и разлива жидкого аммиака по территории цеха

нитрофоски пострадали эксплуатационный персонал цеха и ра-

ботники строительно-монтажных организаций, находившиеся н

зоне аварии; вся документация сгорела.

Результат разрушения изотермического хранилища — разо-

вый выброс в окружающую среду 7000 т жидкого аммиака и

одновременное его загорание непосредственно в месте аварии.

Распространение паров аммиака и продуктов термического раз-

ложения нитрофоски (оксидов азота, аммиака) произошло на

30—35 км, образовав зону заражения площадью до 400 км

При этом на расстоянии до 5 км облако имело высоту 100 м,

на расстоянии 10 км —до 400 м, 20 км — до 800 м.

Концентрация паров аммиака на территории предприятия и

по следу облака зараженного воздуха на удалении 3 км не

превышала 200 мг/м

, на удалении 10—15 км составляла

20—40 мг/м

. Максимальное расстояние, на котором зафикси-

ровано наличие аммиака,— 23 км. Концентрация оксидов азота

на территории завода в районе склада нитрофоски доходила

до 25 мг/м

, по следу облака зараженного воздуха не превы-

шала 2 мг/м

. Концентрации паров аммиака и оксидов азота

были выше предельно допустимых в воздухе рабочей зоны и на-

селенных пунктов, но не достигали значений поражающих кон-

центраций для данных веществ. Для локализации газового об-

лака и сокращения зоны возможного заражения на пути его

распространения с помощью пожарных машин устраивались

отсечные водяные завесы. Загорание паров аммиака в значи-

тельной степени уменьшило опасность первичного облака.

В процессе аварии были произведены экстренный вывод ра-

бочих и служащих с территории ПО «Азот», а также поэтапная

эвакуация населения из опасных районов в зависимости от из-

менения направления зараженного облака при концентрации

паров аммиака 10 мг/м

(эвакуированы 32 тыс. человек). Кро-

ме того, был смонтирован трубопровод для перекачки образо-

вавшейся при тушении пожара пульпы минеральных солей, от-

рыты резервные пруды-накопители, подготовлены материалы

для дамб. Эти мероприятия позволили исключить случаи по-

ражения жителей г. Ионавы и населенных пунктов в зоне за-

ражения. В результате аварии пострадали 57 человек (выход

из строя на 2—3 недели) и погибли 7 человек (работники ПО

1ШЖИЖШШ»

Рис. 7.10. Динамика разрушения изотермического хранилища:

/ — положение хранилища до аварии; II — начальное повышение давления; 111 — обрыв

анкеров, отрыв днища; IV— начало смещения хранилища; V — положение хранилища по-

еле аварии

«Азот» и строительно-монтажных организаций, работавшие на

монтаже второго изотермического хранилища).

В соответствии с последствиями аварии, исследованиями,

расчетами и заключением экспертов, динамику разрушения

изотермического резервуара можно представить следующим об-

разом (рис. 7.10). Имеющиеся деформации окраек днищ и мест

отрыва от стенок внутреннего и наружного резервуаров, а так-

же характер разрыва и остаточных деформаций анкерных по-

лос свидетельствуют о повышении напряжений в элементах

конструкции сверх расчетных. Причиной возрастания этих на-

пряжений и разрушения конструкций стало резкое увеличение

избыточного давления во внутреннем резервуаре. Возникшие

вертикальные усилия от стенки внутреннего резервуара через

анкеры передавались на верхнюю железобетонную плиту фун-

дамента. Во время повышения избыточного давления все анке-

ры включились в работу, о чем свидетельствует остаточное су-

жение площади поперечного сечения всех анкерных полос. Зна-

чительная перегрузка анкеров привела к изгибу удерживающей

верхней железобетонной плиты фундамента и ее растрескива-

нию на расстоянии 2,5—3 м от края. Остаточные перемещения

краев плиты над стойками составили от 25 до 130 мм.

Дальнейшее увеличение напряжений из-за возрастания из

быточного давления в резервуаре вызвало разрыв большей ча

сти анкеров у мест их крепления к стенке резервуара. Поел

разрыва части анкеров произошли подъем этой стороны резе[

вуара, выпучивание днища и последующий отрыв стенок обои

резервуаров от днищ и остальных анкеров. В месте наибольш»

го раскрытия между днищем и стенкой началось бурное ист

чение аммиака под воздействием гидростатического и газово!

давления над жидкостью. Ударом жидкости была смещена

ограждающая железобетонная стенка. Под воздействием реак-

тивной силы истекающей жидкости и внутреннего давления

газа конструкции стенки и крыши начали перемещаться в на-

правлении газгольдера сухого азота. Отрыв внутренней стенки

и анкеров со стороны, противоположной началу раскрытия, про-

исходил, когда резервуар принимал наклонное положение.

Наиболее вероятно, что повышение давления выше расчет-

ного произошло в результате попадания теплого (10 °С) жид-

кого аммиака в нижнюю часть хранилища с последующим (че-

рез некоторое время) высвобождением энергии^ в виде резкого

испарения аммиака, как при явлениях «опрокидывания» или

образования «линз».

При наличии в изотермическом хранилище 7000 т аммиака

в него необходимо подать (согласно расчету) 14 т жидкого ам-

миака с температурой 10°С для создания избыточного давле-

ния в газовой фазе 0,04 МПа (требуемое для разрыва). Расте-

канию жидкого аммиака на большую площадь способствовали

повышенная прочность кровли емкости по сравнению с несу-

щей способностью сопряжения стенки внутреннего резервуара

с днищем и анкерных связей и значительное уменьшение проч-

ности ограждающей стенки. Неблагоприятные условия эксплуа-

тации изотермического резервуара создались также из-за нена-

дежной работы аммиачных компрессоров и отсутствия их рабо-

чего резерва. Возникновению аварии способствовали и необо-

снованные отклонения от проектных решений, конструктивное

несовершенство отдельных узлов резервуара, низкое качество

исполнения отдельных элементов резервуара в процессе мон-

тажа.

С целью недопущения подобных аварий необходимы новые

конструктивные решения, в частности усиление ограждений

изотермических резервуаров для обеспечения устойчивости про-

тив динамического удара больших масс разлившегося аммиака

при разрушении хранилища, устройство внутреннего металли-

ческого «стакана» для складов жидкого аммиака, автоматиче-

ское прекращение поступления жидкого аммиака в нижнюю

часть хранилища при его температуре выше — 30°С с переклю-

чением подачи на верх хранилища, установка приемного резер-

вуара для теплого аммиака. Автоматический сброс газа на фа-

кел должен производиться при давлении в изотермическом

хранилище 8000 Па; пропускная способность факела должна

быть увеличена до 20 000 м

/ч. Для резервуаров вместимостью

10 000 т компрессоры цикла хранения должны автоматически

включаться при давлении 4500 Па. Максимальный уровень за-

полнения изотермических резервуаров жидким аммиаком не

должен превышать 80% высоты цилиндрической части резер-

вуара. На соответствующих трубопроводах должны быть уста-

новлены обратные клапаны, съемные участки для исключения

267

перетока теплого аммиака в захоложенный. Эти и некоторые

другие меры позволят повысить уровень надежности и безопас-

ности эксплуатации изотермических хранилищ.

7.5.2. Разлив сжиженных углеводородных газов

Разлив жидкого аммиака в описанном выше случае не со-

провождался воспламенением всего облака, что обусловлено

низкой взрыво- и пожароопасностью аммиака. Однако факт

разрушения изотермического хранилища не был уникальным

явлением. Подобные аварии происходили на изотермических

хранилищах сжиженных углеводородных газов.

Так, в октябре 1944 г. в Кливленде (США) вследствие

охрупчивания металла разрушились стальные оболочки изотер-

мического двустенного хранилища и произошел внезапный раз-

лив большой массы сжиженного природного газа с температу-

рой — 156°С. Резервуарный парк состоял из трех сферических

резервуаров с заполнением 2350 м

(1050 т) сжиженного газа

и одного вертикального двустенного цилиндрического резервуа-

ра с заполнением 4250 м

(1900 т). Внутренняя оболочка верти-

кального хранилища (диаметр 21 м, высота 13 м) была выпол-

нена из низкоуглеродистой стали, внешняя (диаметр 23 м) —

из мягкой стали.

Полагают, что разрушению внутренней оболочки (наряду с

несоответствием марки стали) способствовала повышенная виб-

рация почвы под резервуаром, возникшая от работавших вбли-

зи механизмов. Внешняя оболочка разрушилась сразу же от

охрупчивания металла, при контакте с охлажденной жидкостью

при ее утечке из внутренней оболочки. Первоначально разли-

лось «4250 м

(1900 т), а затем повторно было выброшено

2350 м

(1000 т) сжиженного природного газа (СПГ), который

разлился по твердой поверхности как в пределах кольцевого

обвалования (высотой 1 м при расстоянии между стенками

0,6 м и рассчитанного на небольшие проливы), так и за ним.

Жидкость растекалась также по системе канализации, которая

выходила из-за обвалования и была предназначена для выво-

да водяного конденсата.

В результате распространения сжиженного газа по системе

канализации взрывы произошли в канализационных колодцах

и сточных коллекторах; от взрыва в колодце на расстоянии

350 м от цилиндрического хранилища образовалась воронка

глубиной 8 м и длиной 20 м. Через 20 мин после разрушения

вертикального цилиндрического хранилища произошло разру-

шение шарового резервуара, сопровождавшееся мгновенным

выбросом 1000 т СПГ и его воспламенением. Высота столба

пламени достигала 900 м. Сферические резервуары, также

имевшие обвалование высотой 0,6 м, находились на расстоянии

около 200—400 м от цилиндрического хранилища. Шаровой ре-

зервуар упал на землю вследствие деформации несущих опо^

268

от ударов осколков цилиндрического резервуара, а также и от

воздействия пламени. Серьезные повреждения были обусловле-

ны локальными взрывами в замкнутых объемах, в том числе

в системе канализации.

Полагают, что авария развивалась по модели воспламене-

ния газа и последовавшего за ним пожара без взрыва всей мас-

сы газового облака как единого целого. При воспламенении

образовавшегося облака и последующем пожаре полностью

уничтожен газовый завод, 10 административных зданий, 80 до-

мов, расположенных в 400 м от места выброса. При этом по-

гибло 128 человек и около 400 получили травмы; нанесен

ущерб на сумму 6,8 млн. долл.

При разливе больших масс легкокипящих горючих жидко-

стей возможно образование дискообразного парового облака

над поверхностью разлива, при воспламенении которого могут

возникнуть ударные волны, усиливающиеся в 2—10 раз и бо-

лее при наличии крупногабаритных препятствий. При пожаре

нагрев хранилищных емкостей с горючими жидкостями неизбе-

жен. В этих случаях могут образовываться и огненные шары,

и разрушительные ударные волны. При этом принятые расстоя-

ния между соседними резервуарами, составляющие до '/4 сум-

мы диаметров этих резервуаров (не менее 4,5 м), могут ока-

заться недостаточными. Целесообразным и эффективным для

ограничения поверхности разлива горючих жидкостей представ-

ляется выполнение индивидуальных ограждающих устройств

резервуаров достаточной прочности.

При оценке опасности разлива горючих Жидкостей следует

учитывать физические свойства ее паров, Объем и форма об-

лака, образующегося над поверхностью разлива, существенно

Зависят, в частности, от плотности паров.

При выполнении обваловки следует принимать во внимание

юстав насыпаемого грунта, Установлено, например, что при

юпадании сжиженного аммиака на щебенку или рыхлый грунт

1 начальном периоде образуется в 20 раз больше паров, чем

(ри разливе На песок, Поэтому территорию, на Которой распо-

южены резервуары сжиженного газа, не рекомендуется покры-

ать щебенкой, галькой и пористыми материалами, Не допу-

кается покрытие этими материалами внутренних отсеков об^

аловки, а также других участков территории, на которые мо^

;ет попасть пролитый сжиженный газ. •

Разливы сжиженных газов на значительно меньших площа*

ях также представляют большую опасность, если они проис-

эдят в замкнутых объемах помещений и испарение жидкости

^одолжается длительное время, Так, произошел взрыв паров

'Тадиена в помещении ректификации производства синтетиче-

ого каучука (1979 г., Казанский завод СК). При взрыве йол-

ютью разрушены второй, третий и четвертый этажи здания

МЫвки и ректификации размерами 18X24X24 м, получили

ачительные повреждения первый этаж этого здания, а также

269

Рис. 7.11. План-схема разрушений при взрыве паров бутадиена в помещении

производства синтетического каучука:

1 — корпус ректификации; 2 — упавшая колонна ректификации

здания ЦЗЛ и медсанчасти, находящиеся от эпицентра на рас-

стоянии 50 и 500 м соответственно (рис. 7.11, заштрихованная

область — тяжелые повреждения и полное разрушение); на рас

стоянии 200 м наблюдалось полное разрушение остекления, I

500 м — частичное.

Как было установлено, выброс жидкого бутадиена произо

шел вследствие разрушения прокладки фланцевого соединени;

нагнетательного трубопровода насоса подачи флегмы на ко

Лонны ректификации. Разрушенное фланцевое соединение (диг

_метром 100 мм), установленное на нагнетательном трубопровс

"де насоса до запорного органа, было выполнено с разнотипнь

ми уплотнительными поверхностями («плоский» — «выступ»

собрано при неполном комплекте и уменьшенных диаметра

болтов. Это привело к разрыву паронитовой прокладки и О'

разованию отверстия шириной 0,2 см и длиной 13,2 см. ЖИДКР

бутадиен находился на приемной стороне насоса при давлеш

0,4 МПа, на нагнетательной стороне —при 0,9 МПа, Время и

течения бутадиена с момента нарушения герметичности сист

мы до Взрыва составляло «25 мин. Поступление жидкого бут

диена к разрушенному участку трубопровода происходило к

по приемной, так и по нагнетательной линиям.

Своевременное и быстрое отключение аварийного участ

не представлялось возможным из-за недоступности арматурь

ручным приводом, расположенной как у насоса на приемнол

нагнетательном трубопроводах (вследствие интенсивного ис

чення бутадиена), так и на других участках технологичес!

270