Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения параметров осколочного поражения при авариях на объектах с обращением сжатого газа

Изобретение относится к области промышленной безопасности опасных производственных объектов и может быть использовано для определения зон возможных разрушений и поражений человека осколками при авариях на объектах с обращением сжатого газа.

Из уровня техники известен способ определения параметров воздушной ударной волны (ВУВ) при разгерметизации сосудов со сжатым газом (патент РФ №2541696 С1 на изобретение, кл. G01M 7/08, 20.02.2015). В известном способе предварительно определяют атмосферное давление и характеристики сосуда со сжатым газом, такие как исходное давление в сосуде, объем сосуда, 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, 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 здоровья 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, 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 предлагаемое изобретение, заключается в создании способа определения параметров осколочного поражения (дальности разлета фрагментов разрушаемого оборудования и их поражающей возможности) при разгерметизации объектов со сжатым газом, позволяющего установить пространственное распределение параметров осколочного воздействия от разгерметизации трубопроводов и сосудов со сжатым газом.

Технический результат изобретения, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей, позволяющих установить пространственное распределение параметров осколочного поражения, образующегося при взрывной разгерметизации трубопроводов и сосудов, содержащих природный газ под высоким начальным давлением, и обеспечить возможность предупреждения поражения человека осколочным воздействием.

Сущность предлагаемого способа определения параметров осколочного поражения при авариях на объектах с обращением сжатого газа, заключается в следующем:

- определяют принадлежность аварийного объекта газотранспортной системы к подземному трубопроводу или наземному сосуду со сжатым газом;

- для наземного сосуда со сжатым газом определяют его M_об - массу оболочки сосуда (кг), ρ_об - плотность материала (кг/м³) оболочки сосуда и V₀ - объем (м³) сосуда;

- для подземного трубопровода определяют D - диаметр (м) трубопровода; h - заглубление (м) трубопровода (по нижней образующей); 2ψ - ожидаемый угол (град) раствора котлована;

- определяют начальную скорость первичных осколков U₀=U(t=0) (м/с) при авариях на объектах газотранспортной системы;

- определяют безразмерный коэффициент W, являющийся параметром инварианта движения и описывающий разлет осколков при аварии в предположении равновероятной их ориентации по направлению вектора скорости:

,

где S_ср - площадь миделя (м²);

m - масса осколка (кг);

С_х - коэффициент сопротивления осколка;

ρ₀ - плотность воздуха (кг/м³);

g - ускорение силы тяжести (м/с²);

- по полученному значению безразмерного коэффициента W определяют максимальную дальность полета осколков (м):

,

- определяют вероятность поражения человека (P_чел) отдельным осколком, учитывая, что человека моделируют цилиндром с радиусом r (м) и высотой l (м), который находится на максимальном расстоянии ΔR_max (м) от аварийного объекта, с учетом того, что попадание любого осколка - смертельно;

- строят график зависимости вероятности поражения человека (P_чел) осколком или осколками аварийного объекта от расстояния ΔR, на котором находится человек, по указанному графику определяют зону безопасного пребывания человека.

Взрывная разгерметизация объектов газотранспортной системы (ГТС) сопровождается образованием и разлетом фрагментов аварийного оборудования с дальнейшим поражением реципиентов (людей, зданий, сооружений, оборудования) осколочным воздействием. Предлагаемый способ позволяет определять параметры поражения от осколочного воздействия при взрывной разгерметизации трубопроводов, сферических и цилиндрических сосудов с обращением сжатого газа.

Основными определяемыми параметрами осколочного поражения являются: дальность разлета фрагментов разрушаемого объекта со сжатым газом и их поражающая возможность. Данные параметры определяют зоны возможных разрушений оборудования, зданий и сооружений и поражений человека осколками при авариях.

Согласно предлагаемому способу определения параметров осколочного поражения при взрывной разгерметизации сначала определяют тип аварийного объекта, является ли аварийный объект подземным трубопроводом или надземным сферическим или цилиндрическим сосудом со сжатым газом. Также определяют P₀ - избыточное давление в аварийном объекте до аварии (атм).

В зависимости от типа аварийного объекта со сжатым газом определяют следующие характеристики аварийного объекта:

- для наземного аварийного сосуда (М_об - массу оболочки сосуда (кг), ρ_об - плотность материала (кг/м³) оболочки сосуда, V₀ - объем (м³) сосуда);

- для подземного трубопровода (D - диаметр (м) трубопровода; h - заглубление (м) трубопровода (по нижней образующей); 2ψ - ожидаемый угол (град) раствора котлована).

По перечисленным характеристикам определяют значение начальной скорости первичных осколков U₀=U(t=0)(м/с).

В зависимости от аварийного элемента: трубопровода, цилиндрического сосуда или сферического сосуда скорость первичных осколков определяют следующим образом:

- для наземного цилиндрического сосуда:

- для наземного сферического сосуда:

- для подземного трубопровода:

Решая аналитическими методами систему уравнений, описывающих движение осколка, определяют безразмерный коэффициент W, являющийся параметром инварианта движения, который позволяет описать разлет осколков при аварии в предположении равновероятной ориентации осколка по направлению вектора скорости:

где S_ср - площадь миделя (м);

m - масса осколка (кг);

С_х - коэффициент сопротивления осколка;

ρ₀ - плотность воздуха (кг/м³);

g - ускорение силы тяжести (м/с²).

При известном значении безразмерного коэффициента W пространственное распределение параметров осколочного воздействия, таких как максимальная дальность полета осколков (м) и вероятность поражения человека (P_чел) отдельным осколком, описывается соотношениями (5), (6).

Максимальную дальность полета осколков предлагается определять по формуле:

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, представленными на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлен график, отражающий зависимость вероятности осколочного поражения человека от расстояния ΔR аварийного объекта - подземного трубопровода. На фиг. 2 представлен график, отражающий зависимость вероятности осколочного поражения человека от расстояния ΔR аварийного объекта - наземного цилиндрического сосуда.

Вероятность поражения человека отдельным осколком, движение которого описывается безразмерным коэффициентом W, в предположении, что человек моделируется цилиндром с радиусом r (м) и высотой l (м), находящимся на расстоянии ΔR (м) от аварийного объекта, с учетом того, что попадание любого осколка - смертельно, предлагается определять следующим образом:

где введены следующие обозначения:

,

,

,

при этом посредством вычислительного эксперимента определено, что распределение дальности полета осколков аппроксимируется с достаточной точностью бета-распределением, где плотность распределения задается соотношением:

,

где , Г(a), Г(b), Г(a+b) - гамма-функции, a=1,5, b=0,6 - параметры бета-распределения.

Вероятность поражения человека при образовании n осколков, каждый из которых характеризуется коэффициентом W_i, определяется на основании законов теории вероятности и может быть выражена следующим образом:

Осуществление изобретения может быть подтверждено проведенными экспериментальными исследованиями.

В качестве примера осуществления изобретения рассмотрим сценарий аварии - «Взрывная разгерметизация подземного газопровода с образованием воздушной ударной волны, разлетом осколков трубы и фрагментов грунта, последующим истечением газа из газопровода в виде колонного низкоскоростного шлейфа и рассеиванием истекающего газа без воспламенения».

При определении параметров учитываем, что газопровод находится под землей. Исходные параметры газопровода преобразуем к виду, удобному для расчета:

P₀=60 атм - избыточное давление в аварийном объекте до аварии;

D=0,325 м - диаметр трубопровода;

h=0,8 м - заглубление трубопровода (по нижней образующей);

ψ=22° - половина ожидаемого угла раствора котлована;

m=8 кг - масса одного осколка;

g=9.81 м/с²; ρ₀=1.225 кг/м³; ρ_об=7800 кг/м³; r=0.15 м и l=1.8 м, n=1.

Значение начальной скорости осколка определяем по формуле (3):

Далее определяют безразмерный коэффициент W:

Для определения безразмерного коэффициента W принимается коэффициент сопротивления осколка C_x=2; площадь миделя осколка (м²) S_ср=(m/ρ_об)^2/3 - учитывается как среднее геометрическое значение.

Максимальная дальность полета осколков (м) составляет:

Значение параметра максимальная дальность полета осколков разрушенного объекта, содержащего сжатый газ, используется для определения зон потенциального поражения оборудования, зданий, объектов инфраструктуры, находящихся вблизи разрушенного объекта.

Для определения вероятности поражения осколком человека воспользуемся поясняющим графиком (фиг. 1) зависимости вероятности осколочного поражения человека от расстояния ΔR от аварийного объекта - подземного газопровода.

Результаты проведенного эксперимента, взятые для сравнения, показали, что максимальная дальность полета фрагментов оболочки составила ΔR_max=84 метра (масса фрагмента 8 кг); скорость первичных осколков U₀ не превышала 31 м/с.

В качестве другого примера рассмотрим сценарий аварии - «Разгерметизация газового баллона объемом 50 л с образованием воздушной ударной волны, разлетом фрагментов баллона» при следующих условиях.

P₀=16 атм - избыточное давление в аварийном объекте до аварии;

V₀=0.05 м³ - объем сосуда;

ρ_об=7800 кг/м³ - плотность материала оболочки;

M₀=22 кг - масса оболочки;

m=11 кг - масса одного осколка;

g=9.81 м/с²; ρ₀=1.225 кг/м³; количество осколков n=2.

Значение начальной скорости осколка в соответствии с (1) составляет:

Для определения безразмерного коэффициента W:

принимается коэффициент сопротивления осколка С_x=2; площадь миделя осколка (м²) S_ср=(m/ρ_об)^2/3 - учитывается как среднее геометрическое значение.

Максимальная дальность полета осколков (м):

Для определения вероятности поражения человека воспользуемся графиком, отражающим зависимость вероятности осколочного поражения человека от расстояния ΔR аварийного объекта, газового баллона, представленным на фиг. 2.

Результаты проведенного эксперимента, взятые для сравнения, показали, что максимальная дальность полета фрагментов баллона может составлять до 300 м.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет определять вероятность поражения человека (P_чел) при образовании по меньшей мере одного осколка аварийного объекта, при нахождении человека на расстоянии ΔR, обеспечивая тем самым возможность предупреждения поражения человека.