MODELING OF A FIRE AND EXPLOSIVE SITUATION IN AN ACCIDENT AT AN UNDERWATER GAS PIPELINE CROSSING

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.118.4.002               

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРО-ВЗРЫВООПАСНОЙ ОБСТАНОВКИ ПРИ АВАРИИ НА ПОДВОДНОМ ПЕРЕХОДЕ ГАЗОПРОВОДА

Научная статья

АксеновC.Г.¹, Елизарьев А.Н.², СинагатуллинФ.К.³, ЭпимаховН.Л.^4, *, ЖирновА.В.⁵, ТаракановД.А.⁶, МихайловС.А.⁷

^{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа,Россия

^* Корреспондирующий автор (   nikelon32[at]gmail.com)

Аннотация

В данной статье рассмотрены аспекты моделирования возможной обстановки в чрезвычайной ситуации, связанной с аварией на подводном газопроводе вблизи железно-дорожного моста. Выявлены существующие риски при построении подводного газоперехода вблизи железнодорожного моста, cпроектированы сценарии чрезвычайной ситуации, а также проведен комплексный анализ полученных данных в ходе исследования. Смоделированные сценарии при чрезвычайной ситуации на подводном газопроводе позволяют использовать данную методику на аналогичных объектах исследования.

Ключевые слова: экологическая безопаность, пожарная безопасность, безопасность системы газопроводов.

MODELING OF A FIRE AND EXPLOSIVE SITUATION IN AN ACCIDENT AT AN UNDERWATER GAS PIPELINE CROSSING

Research article

AksenovS.G.¹, ElizaryevA.N.², SinagatullinF.K.³, EpimakhovN.L.^4,*, ZhirnovA.V.⁵, TarakanovD.A.⁶, MikhaylovS.A.⁷

^{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia

^* Corresponding author (  nikelon32[at]gmail.com)

Abstract

This article discusses aspects of modeling a possible situation in an emergency situation related to an accident on an underwater gas pipeline near a railway bridge. The existing risks in the construction of an underwater gas pipeline near a railway bridge were identified, emergency scenarios were designed, and a comprehensive analysis of the data obtained during the study was carried out. Simulated scenarios in case of an emergency on an underwater gas pipeline allow using this technique on similar research objects.

Keywords: environmental safety, fire safety, safety of the gas pipeline system.

На сегодняшний день рост и развитие городских агломераций приводит к освоению территорий, располагающихся в зонах сложной природной обстановки, что объясняет возникновения воздействия опасных природных процессов на городскую инфраструктуру. На территории Российской Федерации более 135 городов подвержены воздействию опасных природных процессов, среди которых особое развитие получили процессы гидрологического и геологического характера.

Кроме того, современные урбанизированные территории сосредотачивают значительное количество объектов, представляющих опасность возникновения техногенных чрезвычайных ситуаций. Особую опасность представляют нефтяные, химические, пищевые объекты промышленности, а также объекты энергетики и особо важные для городов транспортные системы. Например, железнодорожный транспорт составляет основу транспортной системы России и призван во взаимодействии с другими видами транспорта своевременно и качественно обеспечивать жизнедеятельность всех отраслей экономики, не менее важна роль трубопроводов при передаче энергоресурсов. Таким образом, урбанизированная территория характеризуется пересечениями линейных объектов - природных и техногенных, а высокая плотность населения обуславливает угрозу жизни и здоровью людей.

В связи с этим особую важность приобретает моделирование обстановки при возможных авариях на подводном переходе газопровода для разработки превентивных мероприятий по защите населения и территории от чрезвычайных ситуаций при воспламенении газовоздушной смеси.

Чрезвычайные ситуации, связанные с транспортировкой углеводородных газов, в настоящее время происходят все чаще, в связи с нарастанием объемов производства и газопотребления, а также из-за высокой степени износа существующих сетей. Особую опасность представляют такие ЧС в пределах урбанизированных территорий, поскольку защита населения и территории от поражающих факторов пожаров и взрывов требует оперативной ликвидации ЧС(рис. 1)[1].

Рис. 1 – Опасности транспортировки газа в пределах урбанизированной территории

К подводным переходам относятся участки магистральных трубопроводов, пересекающие естественные или искусственные водоемы. Границы подводного перехода определяются уровнем воды в водоеме 10%-ной обеспеченности, т. е. уровнем воды в водоеме, до которого вода может подниматься в течение ста лет до 10 раз. В не регулируемых реках этот горизонт бывает лишь при очень значительных паводках. Надежная работа подводных переходов в течение расчетного срока их эксплуатации обеспечивается выбором обоснованного решения о заглублении трубопровода в русловой части реки на береговых ее участках, а также соответствующих конструктивных решений.

Результаты обследований большого числа газопроводов показывают, что все многообразие размывов трубопроводов, встречающихся на практике, можно отнести к следующим типам: размывы (рис. 2) в средней части русла и размывы приурезных и береговых участков[2].

Рис. 2 – Характерные участки размыва в створах переходов газопроводов через водный объект:

1и 3 – приурезные участки размыва; 2 – размывы в средней части русла

Возможные размывы участка перехода представляют большую опасность вследствие значительной трудности точного определения максимальных плановых переформирований. Имеется опасность повреждения трубопровода от гидродинамического воздействия потока, ледохода, а также якорями и волокушами судов и плотов. Так, например, на водной обстановке наблюдается посадка уровня, вызванная как природным, так и антропогенным факторами. В частности, на навигационном участке реки от г. Стерлитамака до г. Бирска за весь рассматриваемый период происходят ежегодные флуктуации повышений и понижений уровней воды при неизменных расходах с общим трендом к понижению[3]. Для учета оценки рисков, возникающих при повреждении подводного перехода газопровода, проведен анализ с помощью дерева отказов по методике МИСУИ [ГОСТ Р 54144-2010](рис. 3).

Рис. 3 – Дерево отказов ЧС, вызванной разгерметизацией подводного участка газопровода

С учетом потенциального повреждения подводного перехода газопровода моделирование обстановки при аварии на подводном переходе газопровода может быть реализовано по предложенной схеме (рис. 4).

Рис. 4 – Алгоритм моделирования пожаро-взрывоопасной обстановки при аварии на подводном переходе газопровода

На втором этапе с помощью программы AutoDesk проведено моделирование разгерметизации газопровода при столкновении с днищем плавсредства. Результат моделирования показан на рисунке 5.

Рис. 5 – Результаты моделирования разгерметизации газопровода при столкновении с плавсредством

На третьем этапе проведено моделирование формирование и рассеивание газовоздушной смеси в следствии выхода газа из газопровода.

Для определения массы газа, вырвавшегося при разгерметизации газопровода в качестве исходных использовались данные: время срабатывания запорной арматуры, Т=120 с, внутренний радиус газопровода r = 300мм, давлении в трубопроводе = 3,0 МПа.

Исходя из рассматриваемого сценария ЧС, определим массу, горючих газов, вышедших в атмосферу из газопровода по формуле: где V_т — объем газа, вышедшего из трубопроводов, м³.

r_г – плотность газа, составляет 2,1 кг/м³ (при давлении в трубопроводе 3,0 МПа). Объем газа вышедший из трубопровода до срабатывания отсечного клапана получаем:

V_т = 212,4+11,3 = 223,7 м³

т = 223,7·2,1 = 11527,7 кг

При разгерметизации подводного участка газопровода вблизи ж/д переезда через реку образуется газовоздушное облако массой 11527,7 кг[4]. С учетом условий и особенностей местности облако, во время движения в юго-восточном направлении, рассеивалось. Так, например, на расстоянии 500м масса изменилась из 11527,7 кг до 450 кг. Если в данной точке с уменьшенным объемом облака будет проезжать поезд, произойдет воспламенение смеси.

Рис. 6 – Выход газа при разгерметизации подводного участка газопровода:

U₁–направление движения воды; U₂– направление движения воздуха[5]

Тогда на 4 этапе смоделирован взрыв газовоздушной смеси в следствие разгерметизации и последующего выхода смеси(рисунок 7).

Рис. 7 – Зоны действия воздушной ударной волны при взрыве парогазового облака

Из русунка 7 видно, что при взрыве газа избыточное давление значением более 100 кПа будет распространяться соответствует нижнему порогу повреждения человека волной давления[6], [7].

На 5 этапе рассмотрена ситуация с учетом проезда поезда по железнодорожному мосту во время взрыва газовоздушной смеси:

При оценке последствий ЧС, вызванной разгерметизацией подводного участка газопровода, по опасному сценарию, существует вероятность прохождения пассажирского поезда по мосту. В связи с этим проведена оценка воздействия ударной волны на поезд[8]. Расчётная схема пассажирского вагона на опрокидывание приведена на рисунке 8.

Рис. 8 – Расчётная схема вагона на опрокидывание

Из рисунка 6 видно, что на пассажирский       вагон действуют два момента - опрокидывающий от действия воздушной ударной волны и удерживающий от собственного веса вагона. Условием равновесия является равенство опрокидывающего и удерживающего моментов. В этой связи, если Fсм • h/2 <G • d/2, то опрокидывание не происходит.

На основании сравнения полученных результатов расчёта значения избыточного давления необходимого и достаточного для создания опрокидывающего момента, превышающего удерживающий, со значением избыточного давления, действующего на вагон в результате возникновения ЧС, можно сделать вывод о высокой вероятности схода с рельс вагонов проходящего пассажирского поезда.

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод о том, что прокладка газопроводов, пересекающих реки и водоемы требует четкого прогнозирования всех возможных чрезвычайных ситуаций. Предложенный алгоритм моделирования может быть применен для аналогичных участков любой урбанизированной территории, с учетом комплексного подхода к исполнению различного методичного, а также природных особенностей территории.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Елизарьев А.Н.Комплексная оценка экологического состояния водоемов урабинизированныъ территорий (на примере г. Уфа) / А. Н. Елизарьев, А. Н. Насыров, Э. С. Насырова // Вода: химия и экология. –2015. –№ 9 (87).– С. 3-11.
2. Концептуальные основы оценки экологического риска деградации речных 22 экосистем при осуществлении водопользования./ Н. Н. Красногорская, Т. Б. Фащевская, А. Н. Елизарьев и др. // Безопасность жизнедеятельности. 2006. – №11. – С.23-28.
3. Елизарьев А.Н. Оценка антропогенного воздействия на гидроэкологический режим водных объектов (на примере р. Белой).: дис. ... канд. географ. наук / Елизарьев Алексей Николаевич. - Уфа, 2007. –185 с.
4. Оценка изменений водности реки Белой как фактора обеспечения безопасности жизнедеятельности человека. / Н.Н. Красногорская , Т.Б. Фащевская, А.Н. Елизарьев и др. // Безопасность жизнедеятельности. – 2009. – № 2. – С. 20-26.
5. Завгороднев А.В.Теоретические основы рассеивания в атмосфере организованных нестанционарных выбросовгаза на объектах транспортных предприятий. / А. В. Завгороднев, Г. С. Акопова, А. В. Мельников // Территория Нефтегаз. – 2011. –№  – С. 68-73.
6. Развития методических основ оценки риска ЧС в резервуарных парках с использованием методов системного анализа. / Аксенов С. Г., Елизарьев А. Н., Манякова Г. М. и др. // Успехи современного естествознания, 2018, – № 2. – С. 131.
7. Януш С.Е.Расчет ударных волн при взрыве резервуара высокого давления со сжиженным газом. / С. Е. Януш //Физика горения и взрыва. – 2020. – Т. 56.№  – С. 83-92.
8. ГОСТ 33211-2014. Требования к показателям динамических качеств и устойчивости к выжиманию и опрокидыванию при движении.
9. Дубнюк Д.В. Анализ способов обеспечения безопасной работы подводных переходов магистральных трубопроводов. / Д. В. Дубнюк // Аллея науки. – 2018. – Т. 1.№ 8 (24). – С. 107-111.
10. Демченко Е.В. Анализ способов обеспечения безопасной работы подводных переходов магистральных трубопроводов. / Е. В. Демченко// Проблемы геологии и освоения недр.Труды XXIIсб. науч. Тр. / Томский политехнический университет, Томск. –Томск, 2018. – С. 604-605.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Elizariev A.N.Kompleksnaya ocenka e`kologicheskogo sostoyaniya vodoemov urabinizirovanny territorij (na primere g. Ufa) [comprehensive assessment of the ecological state of reservoirs of urbanized territories (on the example of Ufa)]./ N. Elizarev, A. N. Nasyrov, E. S. Nasyova // Voda: himiya i ekologiya[Water: chemistry and ecology]. – 2015. –No. 9 (87). – pp. 3-11.[in Russian]
2. Konceptualnye osnovy ocenki e kologicheskogo riska degradacii rechny 22 ekosistem pri osushhestvlenii vodopolzovaniya[Conceptual foundations for assessing the ecological risk of degradation of river 22 ecosystems in the implementation of water use]. / N. N. Krasnogorskaya, T. B. Fashhevskaya, A. N. Elizarev et al. // Bezopasnost zhiznedeyatelnosti [Life safety]. – 2006. – №11. – pp.23-28.[in Russian]
3. Elizariev A.N. Ocenka antropogennogo vozdejstviya na gidroekologicheskij rezhim vodny obektov (na primere r. Beloj) [Assessment of anthropogenic impact on the hydroecological regime of water bodies (on the example of the Belaya River)]. : dis. ... kand. geograf. nauk [diss. of cand. of geograph. sciences] / Elizarev Aleksej Nikolaevich. – Ufa, 2007. – 185 p.
4. Ocenka izmenenij vodnosti reki Beloj kak faktora obespecheniya bezopasnosti zhiznedeyatelnosti cheloveka [Assessment of changes in the water content of the Belaya River as a factor in ensuring the safety of human life]. / N. N. Krasnogorskaya , B. Fashhevskaya, A. N. Elizarev et al. // Bezopasnost` zhiznedeyatel`nosti [Life safety]. – 2009. – № 2. – pp. 20-26. [in Russian]
5. Zavgorodnev A.V. Teoreticheskie osnovy rasseivaniya v atmosfere organizovanny nestancionarny vybrosovgaza na obektax transportny predpriyatij [theoretical foundations of dispersion in the atmosphere of organized non-stationary] / V. Zavgorodnev, G. S. Akopova, A. V. Melnikov // Territoriya Neftegaz [Naftogaz territory]. – 2011. – № 10. – pp. 68-73.
6. Razvitiya metodicheski osnov ocenki riska ChS v rezervuarny parkah s ispolzovaniem metodov sistemnogo analiza [Development of methodological foundations for assessing the risk of emergencies in tank farms using methods of system analysis]. / Aksenov S. G., Elizarev A. N., Manyakova G. M. et al. // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya [Successes of modern Natural Science]. – 2018, – № 2. – pp. 131.[in Russian]
7. Yanush S. E. Raschet udarnyh voln pri vzryve rezervuara vysokogo davleniya so szhizhennym gazom[calculation of shock waves during explosion of a high-pressure tank with liquefied gas]. / S. E. Yanush // Fizika goreniya i vzryva [Physics of combustion and explosion]. – 2020. – vol. 56. № 4. – pp. 83-92.[in Russian]
8. GOST 33211-2014. Trebovaniya k pokazatelyam dinamicheski kachestv i ustojchivosti k vyzhimaniyu i oprokidyvaniyu pri dvizhenii [Requirements for indicators of dynamic qualities and resistance to squeezing and tipping when driving]. [in Russian]
9. Dubnyuk D. V. Analiz sposobov obespecheniya bezopasnoj raboty podvodnyh perehodov magistralnyh truboprovodov [analysis of ways to ensure the safe operation of underwater crossings of main pipelines]. / D. V. Dubnyuk // Alleya nauki [Alley of Science]. – 2018. – Vol. 1. № 8 (24). – pp. 107-111.[in Russian]
10. Demchenko E. V. Analiz sposobov obespecheniya bezopasnoj raboty podvodnyh perehodov magistralnyh truboprovodov [analysis of ways to ensure the safe operation of underwater crossings of main pipelines]. / E. V. Demchenko// Problemy geologii i osvoeniya nedr. [problems of geology and subsoil development] / Tomskij politehnicheskij universitet [Tomsk Polytechnic University], Tomsk. –Tomsk, 2018. – pp. 604-605. [in Russian