Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

DISTANCE CALCULATION OF DEPARTURE PURIFICATION DEVICES PIPELINE EXPLOSION IN-GAS MIXTURE

Chepur P.V. 1 Astahov A.M. 2 Tarasenko D.А. 1
1 «Tyumen State Oil and Gas Institute»
2 «Sibnefteprovod»
В статье рассмотрен случай взрыва паров нефти в газовом пространстве отработавшего нефтепровода при демонтажных огнеопасных работах. Выполнено техническое обоснование дальности вылета поршня при взрыве. Согласно проанализированным данным, выброс очистного устройства произошел из полости магистрального нефтепровода под действием избыточного давления взрыва.Предметом исследования авторов является вопрос дальности вылета очистного устройства относительно трубопровода. Установлено, что расстояние вылета зависит от действия различных факторов, таких, как концентрация и состав взрывоопасной смеси, потенциальная энергия тела поршня (в зависимости от его расположения в полости трубы), сила взаимного трения внутритрубного устройства и стенки трубопровода и др. Авторами статьи предложен расчёт, в котором предпринята попытка определить расстояние, на которое удалится очистное устройство из трубопровода, находящегося в подвешенном состоянии, в случае взрыва. Разработана методика, позволяющая определить параметры взрыва на магистральном нефтепроводе при проведении ремонтных работ и демонтажа с целью предотвращения рисков, связанных с безопасностью обслуживающего персонала. Получены зависимости для усилий и перемещений внутритрубных устройств при взрыве.
The article describes the case of oil vapor explosion in a gas pipeline in space spent flammable dismantling works. Achieved technical justification range departure piston explosion. According to the analyzed data, the emission abatement device came out of the cavity under the action of the main oil pipeline explosion overpressure. The subject of our studies is the question of range departure cleaning device respect to the pipeline. Found that the distance of departure depends on various factors such as the concentration and composition of the explosive mixture, the potential energy of the piston body (depending on its location in the cavity of the tube), the force of mutual friction-tube unit and the pipe wall, etc. The authors proposed settlement, which attempts to determine the distance that the cleaning device is removed from the pipeline being in limbo, in the event of an explosion. The technique allows to determine the parameters of explosion on oil pipeline during repair and removal in order to prevent the risks associated with security staff. The dependencies for the forces and displacements in the explosion -tube devices.
explosion
pig unit
cleaning device
explosion pressure
pipeline
main pipeline
adiabatic work
industrial safety
1. ПБ 09 – 170 – 97. General rules for explosion explosive chemical, petrochemical and refining industries. ApprovedbytheResolutionGosgortechnadzorRussiafrom 22.12.97 no. 52.
2 Ovchar Z.N., Hoperskij G.G., Tarasenko A.A. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij.Neft’igaz  –  Academic news «Oil and gas», 1997, no.6, p. 130.
3. Semin E.E., Tarasenko A.A. Pipeline transport: theory and practice, 2006, no.4, pp. 84 – 87.
4. Tarasenko A.A. Stress – strained state of large – sized tanks during repairs. Candidate technical sciences dissertation. Tyumen, 1991. 254 p.
5. Tarasenko A.A. Razrabotka nauchnyh osnov metodov remonta vertikal’nyh stal’nyh rezervuarov: dis. doct. tehn. nauk [Development of scientific bases of methods of repair of vertical steel tanks]. Tyumen, 1999. 299 p.
6. Tarasenko A.A. Materialymezhdunarodnojnauchno –  prakticheskojkonferencii « Neft’ igaz: jenergosberegajushhietehnologii«  (Proceedings of the international scientific – practical conference «Oil and Gas: Energy Saving Technologies»). Tyumen, 2001, p. 36.
7. Tarasenko A.A. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij.Neft’igaz  –  Academic news «Oil and gas», 1998, no. 6, pp. 59 – 63.
8. Tarasenko A.A., Matonin  Je.Ju. Materialy mezhdunarodnoj nauchno – tehnicheskoj konferencii «Geotehnicheskieijekspluatacionnyeproblemyneftegazovojotrasli» (Proceedings of International Scientific and Technical Conference «Geotechnical and operational problems of oil and gas industry»). Tyumen, 2001, pp. 128 – 130.
9. Tarasenko A.A., Pimnev A.L. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Neft’igaz  –  Academic news «Oil and gas», 2000, no. 6, pp. 76 – 78.
10. Tarasenko A.A., Pimnev A.L. Izvestijavysshihuchebnyhzavedenij. Neft’igaz  –  Academic news «Oil and gas», 2001, no. 2, pp. 78 – 82.
11. Tarasenko A.A., Popova E.V., Krasnosel’skih E.A. Vestnik UGTU – UPI №11(63). Materialy II vserossijskoj nauchno – tehnicheskoj konferencii «Komp’juternyjinzhenernyjanaliz» (Herald USTU number 11 (63). Proceedings of the II All – Russian Scientific and Technical Conference «Computer engineering»). Ekaterinburg, 2005, pp. 155 – 159.
12. Tarasenko A.A., Sil’nickij P.F., Tarasenko D.A. Fundamental research, 2013, no. 10 part 15, pp. 3400 – 3403.
13. Tarasenko A.A., Hoperskij G.G., Sajapin M.V. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Neft’igaz  –  Academic news «Oil and gas», 1997, no. 6, p. 129.
14. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Chirkov S.V., Tarasenko D.A. Fundamental research, 2013, no. 10 part 15, pp. 3404–3408. URL: www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=10002343
15. Hoperskij G.G., Sajapin M.V., Tarasenko A.A., Nikolaev N.V. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Neft’igaz  –  Academic news «Oil and gas», 1998, no. 4, pp. 73 – 77.

При демонтаже отработавшего магистрального нефтепровода произошел взрыв паров нефти в газовом пространстве во время производства сварочных работ. Как правило, к подобным инцидентам приводят нарушения в области промышленной безопасности и охраны труда [12]. Человеческий фактор также может сыграть ключевую роль в возникновении подобной аварийной ситуации. В ходе проведенных расследований инцидента появилась необходимость выполнить техническое обоснование дальности вылета поршня при взрыве. Методика расчета, предложенная авторами, легла в основу данной статьи.

Выброс очистного устройства произошел из полости магистрального нефтепровода под действием избыточного давления взрыва. Подобная ситуация имела место на одном из эксплуатируемых магистральных нефтепроводов.

При анализе взрыва газовоздушной смеси в «опорожненном» трубопроводе с присутствием очистного устройства типа поршня–разделителя, поставлена задача определить расстояние, на которое его может вытолкнуть взрывная сила. Это зависит от действия различных факторов, таких, как концентрация и состав взрывоопасной смеси, потенциальная энергия тела поршня (в зависимости от его расположения в полости трубы), сила взаимного трения внутритрубного устройства (ВТУ) и стенки трубопровода и др. Авторами статьи предлагается расчёт, в котором предпринята попытка определить расстояние, на которое удалится очистное устройство из трубопровода, находящегося в подвешенном состоянии, в случае взрыва. На рис. 1 – 3 представлена расчетная схема рассматриваемой аварии.

chep12.tif

Рис. 1. Расчетная схема (общий вид)

chep14.tif

Рис. 2. Расчетная схема (узел вылета ВТУ)

chep13.tif

Рис. 3. Расчетная схема (узел эпицентра взрыва)

здесь 1 – взрывоопасная газовоздушная смесь;

2 –остатки нефти;

3 – избыточное давление взрыва, оказываемое на очистное устройство, Па.

4 – нефтепровод d = 1220 мм;

5 – трубоукладчик;

6 – точка падения внутритрубного устройства;

7 – траектория падения внутритрубного устройства;

8 – место реза трубопровода, эпицентр взрыва;

L1 – расстояние от начального положения скребка до точки «вылета»;

L2 – расстояние от начального положения скребка до остатков нефти;

L3 – расстояние от начального положения скребка до эпицентра взрыва;

L4 – расстояние от точки «вылета» до точки падения;

H – высота поднятой части трубы относительно отметки земли. Энергия взрыва распространяется во все стороны с одинаковым давлением. Исключив потери энергии на выделение тепла, можно выразить адиабатическую работу взрыва:

A=p⋅F⋅L, (1)

где L – расстояние, на которое переместилось внутритрубное устройство, м;

F – площадь сечения трубопровода, м2;

p – избыточное давление взрыва, оказываемое на внутритрубное устройство, Па.

Для определения давления взрыва воспользуемся данными [1]. Определим радиус полусферы газового облака приближённым методом для углеводородов:

ch2.wmf (2)

где MFX – количество вещества, т.

Давление взрыва определяется по значению коэффициента L3/r0 (L3 – расстояние от эпицентра взрыва до ВТУ):

L3/r0 = 5,7/1,1 = 5,18. (3)

MFX = V ⋅ C = p ⋅ R2 * Lтрубы⋅ С = 3,14 ⋅ 0,612 ⋅ 135,3 ⋅ 2,236 = 353,48 (г)

r0 = 18,5 ⋅ ch4.wmf = 1.1 (м)

Давление взрыва приближённо равно 40 кПа.

После взрыва очистное устройство развивает определённую скорость, следовательно, обладает кинетической энергией. Помимо этого трубопровод был поднят (от уровня земли до оси трубопровода) на 1,5 м, а значит, поршень также обладает потенциальной энергией:

А = К + П = ch5.wmf + m ⋅ �� ⋅ H (4)

Тогда, значение L4 определяется по формуле:

ch11.wmf. (5)

Для определения скорости рассмотрим силы, действующие на ВТУ. Сначала ВТУ преодолевает внутреннее пространство трубы (6 метров), следовательно, на него действует сила трения с коэффициентом трения 0,15. Тогда, движущая сила на выходе из трубы будет равна:

F′ДВ = FВЗ - FТР = p ⋅ F - ch6.wmf = 40 ⋅ 103 ⋅ 1,168 - 1669,65 = 45050,35 (Н)

Затем ВТУ перемещается по воздуху, где на него действует сила сопротивления воздуха с коэффициентом сопротивления воздуха принятым 0,6.

F′′ДВ = F′ДВ - FСОПР = 45050,35 - 0,6 ⋅ 1134 ⋅ 9,81 = 38375,626 (Н)

В последний момент движения ВТУ отрицательное ускорение станет максимальным:

F′′ДВ = m ⋅ch8.tif. (6)

Отсюда ускорение a = 33,841 м/с2. На момент первой секунды горизонтальная скорость будет равна:

ch9.tif.

Тогда, значение L4:

ch10.wmf.

В реальных условиях дальность вылета L4 составила 14,9 метра. Погрешность вычислений (4,21 %) вызвана приближённым выбором и подсчётом ряда коэффициентов, использовавшихся в расчёте.

Выводы

  1. Разработана методика, позволяющая определить параметры взрыва на магистральном нефтепроводе при проведении ремонтных работ и демонтажа с целью предотвращения рисков, связанных с безопасностью обслуживающего персонала.
  2. Получены зависимости для усилий и перемещений внутритрубных устройств при взрыве.
  3. Разработанная методика позволяет определить характеристики опасных зон при выполнении ремонтных и демонтажных работ.

Рецензенты:

Обухов А.Г., д.ф-м.н., профессор, профессор кафедры «Высшая математика», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;

Мерданов Ш.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Транспортные и технологические системы», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень

Работа поступила в редакцию 10.06.2014