Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения параметров поражения от напорного воздействия струи газа при авариях на газопроводах высокого давления

Изобретение относится к области промышленной безопасности опасных производственных объектов и может быть использовано для определения зон поражения человека и повреждения объектов инфраструктуры от напорного воздействия струи газа при авариях с гильотинным разрывом газопроводов высокого давления.

Из уровня техники известен способ определения параметров воздушной ударной волны (ВУВ) при разгерметизации сосудов со сжатым газом (патент РФ на изобретение №2541696 С1, кл. G01M 7/08, 20.02.2015). В известном способе предварительно определяют атмосферное давление, а также исходное давление в сосуде со сжатым газом и его объем, определяют значение тротилового эквивалента взрыва, пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва. Полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ наносят на диаграмму «давление-импульс» поражения людей. Затем составляют заключение о степенях поражения людей, а по параметрам сосуда и окружающей среды, а именно по значениям исходного давления в сосуде, атмосферного давления и объема сосуда, определяют радиус круговой зоны разрушения промышленного здания. Известный способ позволяет установить пространственную картину распределения параметров ВУВ, образующейся при аварийной разгерметизации сосудов, содержащих природный газ, метан, под высоким начальным давлением, и обеспечить защиту материальных ценностей и здоровье человека от воздействия ударной волны. Однако известный способ не позволяет при разгерметизации оборудования со сжатым газом, например, при разгерметизации наземного сосуда или подземного трубопровода, спрогнозировать возможные разрушения и поражения человека осколками аварийного объекта.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ определения параметров воздушной ударной волны при разгерметизации трубопроводов со сжатым газом (патент РФ №2551262, кл. G01M 7/08 (2006.01), опубл. 20.05.2015). В известном способе предварительно определяют атмосферное давление, характеристики трубопровода со сжатым газом и расстояние от места разрыва до ближайшего места завершения трубопровода. Затем определяют коэффициент эффективности ВУВ, определяют значение тротилового эквивалента взрыва, пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва. Полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ наносят на диаграмму «давление-импульс» поражения людей. Затем составляют заключение о степенях поражения людей. По параметрам трубопровода и окружающей среды определяют радиус круговой зоны разрушения (м) промышленного здания. Известный способ позволяет устанавливать пространственные картины распределения параметров ВУВ, образующейся при аварийной разгерметизации трубопроводов, содержащих природный газ, метан, под высоким начальным давлением, и обеспечить возможности защиты материальных ценностей и здоровья человека от воздействия ударной волны. Известный способ не позволяет спрогнозировать возможные разрушения и поражения человека осколками аварийного объекта.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании способа определения параметров поражения от напорного воздействия струи газа (динамического давления вынужденной струи газа и его поражающей способности в отношении человека и объектов инфраструктуры) при аварийной разгерметизации газопроводов высокого давления, позволяющего установить пространственное распределение.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, - расширение функциональных возможностей, заключающихся в установлении картины пространственного распределения параметров поражения от напорного воздействия струи газа, образующейся при аварийной разгерметизации трубопроводов с природным газом (метаном) под высоким начальным давлением, и обеспечение возможности предупреждения поражения человека и повреждения объектов инфраструктуры динамическим воздействием высокоскоростных струй газа.

Способ определения параметров поражения от напорного воздействия струи газа при аварийной разгерметизации трубопроводов заключается в том, что:

- определяют P_g0 - рабочее давление газа, находящегося в объекте разгерметизации (кПа); плотность газа в трубопроводе ρ_go (кг/м³) и координаты расположения потенциального разрыва участка газопровода, при условии, что для образования струи газа в месте гильотинного разрыва участка газопровода рабочее давление газа

, где P₀ - атмосферное давление (кПа),

γ - показатель адиабаты метана;

а расстояние (м) от места разрыва до ближайшего места локального завершения газопровода - , где d₀ - внутренний диаметр газопровода (м),

- определяют длину звукового участка - L_зв (м):

;

и диаметр звукового сечения - d_зв (м):

, где параметр решения задачи о напорном воздействии струи;

- определяют массу газа (кг), участвующего в создании поражающего фактора «напорное воздействие» при истечении из одного конца трубы:

,

- определяют распределение динамического давления (кПа) в заданных точках пространства из соотношения:

;

;

; ,

где - координата сечения по оси струи, отсчитываемая от среза трубы,

r - радиальная координата точки в срезе;

- сравнивают полученные значения динамического давления исследуемого объекта в заданной точке со значениями динамического давления, приводящего к повреждениям объектов инфраструктуры,

- по результатам сравнения оценивают степень поражения исследуемого объекта.

Аварии с гильотинным разрывом газопроводов высокого давления сопровождаются образованием высокоскоростной струи газа с дальнейшим поражением реципиентов (людей, зданий, сооружений) напорным воздействием. Предлагаемый способ позволяет определять параметры поражения от такого воздействия при аварийной разгерметизации трубопроводов с обращением сжатого газа.

Основными определяемыми параметрами поражения от напорного воздействия струи газа являются: динамическое давление вынужденной струи газа и его поражающая способность. Данные параметры позволяют определить зоны возможных разрушений зданий, сооружений и поражения человека газодинамическим воздействием при авариях.

Согласно предложенному способу сначала определяют Р_g0 - рабочее давление газа, находящегося в объекте разгерметизации (кПа); плотность газа в трубопроводе ρ_go (кг/м³) и координату расположения потенциального разрыва участка газопровода, причем для образования струи газа в месте гильотинного разрыва участка газопровода должны выполняться условия: для рабочего давления , где P₀ - атмосферное давление (кПа), γ - показатель адиабаты метана; для расстояния (м) от места разрыва до ближайшего места локального завершения газопровода (кранового узла, изгиба газопровода) , где d₀ - внутренний диаметр газопровода (м). Далее по перечисленным характеристикам устанавливают основные параметры сверхзвуковой струи газа:

длину звукового участка - L_зв (м) и диаметр звукового сечения - d_зв (м):

где параметр решения задачи о напорном воздействии струи; а также массу газа (кг), участвующего в создании поражающего фактора «напорное воздействие» при истечении из одного конца трубы:

Затем определяют распределение динамического давления (кПа) в заданных точках пространства. Так для основного участка осесимметричной струи распределение динамического давления по пространству задается соотношением:

;

; ,

где - координата сечения по оси струи, отсчитываемая от среза трубы, r - радиальная координата точки в срезе.

На звуковом участке поверхности равного давления являются боковыми поверхностями усеченного конуса, одним из оснований которого служит срез трубы, а вторым - круг в звуковом сечении радиусом .

Динамическое воздействие стационарной газовой струи на объекты инфраструктуры и человека подобно воздействию ветровых нагрузок.

Далее, используя значения динамического давления в заданной точке пространства и таблицу 1, в которой приведены значения динамического давления для расчета зон повреждения, определяют потенциальные зоны повреждения от напорного воздействия струи газа для объектов инфраструктуры. Считается, что опасными являются такие точки пространства , в которых значение динамического давления превышает приведенные в таблице для каждого реципиента.

Оценку зон поражения человека напорным воздействием струи газа проводят по соотношениям таблицы 2, (в табл. 2 приведены значения динамического давления для определения зон поражения человека) на основании следующих допущений:

1. Воздействие динамической нагрузки на человека моделируется последовательностью событий отрыва человека от подстилающей поверхности и свободного движения в потоке газа.

2. Консервативно принимается, что в момент разгона до максимальной скорости в потоке U_max человек сталкивается с преградой.

3. Пробит-функция гибели человека при ударе о преграду определяется как

Y=-2,14+2,54⋅ln(U_max);

4. При выводе соотношений в таблице 2 учитывался человек со средними параметрами: массой m=70 (кг) и площадью тела F=0,34 (м²), а также K=0,15 - коэффициент сцепления человека и подложки, С_x=0,2 - коэффициент аэродинамического сопротивления человека (в момент свободного движения в потоке газа). Максимальная скорость разгона человека потоком газа U_max (м/с) при этом определяется как

.

В качестве примера осуществления изобретения предлагается рассмотреть тестовый расчет размеров полей динамического давления вынужденной струи газа. Сценарий аварии - «Гильотинный разрыв подземного газопровода с образованием воздушной ударной волны, разлетом осколков трубы и фрагментов грунта, с образованием сверхзвуковой струи газа, последующим истечением газа из газопровода и рассеиванием истекающего газа без воспламенения».

Исходные данные:

- гильотинному разрыву подвержен газопровод внутренним диаметром

d₀=1 м, находящийся под рабочим давлением P_g0=7,5 МПа на расстоянии от места локального завершения трубопровода м;

- P₀=101,3 - атмосферное давление, (кПа);

- плотность газа в трубопроводе ρ_go=58 кг/м³;

- γ=1,4 - показатель адиабаты метана;

- при разрыве образовались две противоположно направленные высокоскоростные струи газа: настильная и свободная.

Условие образования обеих струй выполнено: .

Масса газа (кг), участвующего в создании поражающего фактора «напорное воздействие» каждой струи, составляет:

.

Параметр равен

Длина звукового участка и диаметр звукового сечения равны, соответственно:

,

.

Далее по формуле (3) проводится расчет значений динамического давления струи газа в заданных точках расчетной области.

В качестве расчетной области рассматривается прямоугольник размером 150×150 м, в котором определяется сетка с шагом 0,75 м, в плоскости земли вводится система координат , где - координата сечения по оси струи, отсчитываемая от среза трубы, r - радиальная координата точки в срезе.

Для визуализации рассчитанные в каждой точке значения динамического давления удобно представить в виде изолиний с постоянным значением динамического давления .

Поля динамического давления от вынужденных струй представлены на фигурах 1 и 2. На фиг. 1 представлен характерный вид распределения динамического давления в настильной струе при гильотинном разрыве газопровода диаметром d₀=1 м, находящегося под рабочим давлением P_g0=7,5 МПа (сетка м × м). На фиг. 2 - Изолинии (сетка м × м) динамического давления (кПа) для свободной (а) и настильной (b) вынужденных струях при гильотинном разрыве газопровода диаметром d₀=1 м, находящегося под рабочим давлением P_g0=7,5 МПа.

Далее, используя изолинии динамического давления для определения значения динамического давления в заданной точке пространства и таблицу 1, определяют потенциальные зоны повреждения от напорного воздействия струи газа для объектов инфраструктуры. Считается, что опасными являются такие точки пространства , в которых значение динамического давления превышает приведенные в таблице для каждого типа объектов окружения. Оценку зон поражения человека напорным воздействием струи газа проводят по соотношениям таблицы 2.