ПРИМЕНЕНИЕ РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОСТИ ЗДАНИЙ НЕФТЕБАЗЫ

Обеспечение взрывозащищенности объектов хранения нефтепродуктов является одной из приоритетных задач в области предупреждения чрезвычайных ситуаций техногенного характера. Аварии на объектах нефтегазового комплекса сопровождаются значительными социальными, экономическими и экологическими последствиями. Анализ статистики аварийности показывает, что существенная доля происшествий в нефтяной отрасли связана именно с объектами хранения нефтепродуктов и резервуарными парками. Наиболее опасными последствиями подобных аварий являются разрушение зданий и сооружений, поражение персонала, повреждение технологического оборудования и нарушение устойчивости функционирования объекта.

Актуальность обусловлена высокой пожаро и взрывоопасностью объектов хранения и переработки нефтепродуктов, а также значительным риском возникновения аварий на подобных объектах. Кроме того, в современных условиях особую значимость приобретает развитие технологий информационного и математического моделирования, позволяющих более точно оценивать последствия аварий при чрезвычайных ситуациях.

Целью исследования является оценка взрывозащищенности зданий нефтебазы ООО «Шамбала» при воздействии аварийного взрыва топливно-воздушной смеси.

Объектом исследования является нефтебаза ООО «Шамбала», расположенная на территории Московской области. Предприятие предназначено для приёма, хранения и отпуска светлых нефтепродуктов железнодорожным и автомобильным транспортом. В состав нефтебазы входят резервуарный парк, сливо-наливная эстакада, насосное оборудование, операторная и административно-бытовые здания.

В рамках исследования были произведены расчёты параметров воздушной ударной волны, оценка степени повреждения для здания административно-бытового корпуса (АБК) нефтебазы. Для повышения точности оценки воздействия ударной волны использовались расчетно-аналитические методы и методы информационного и математического моделирования в программном комплексе ЛИРА-САПР.

В качестве расчетного сценария рассматривалась аварийная разгерметизация резервуара с последующим образованием топливно-воздушной смеси и её воспламенением. Основным поражающим фактором аварии в данной работе является избыточное. Оценка последствий аварийного взрыва топливно-воздушной смеси на территории нефтебазы выполнялась в соответствии с требованиями Приказа Ростехнадзора № 412 от 28.11.2022 «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей».

На первом этапе были определены исходные параметры аварии: тип нефтепродукта, масса вещества, участвующего во взрыве, а также условия формирования облака ТВС. На основании физико-химических характеристик вещества и условий размещения оборудования был выбран режим взрывного превращения смеси. В ходе исследования установлено, что бензин (класс 3, вид окружающего пространства — 3) имеет диапазон скорости взрывного превращения, равный 4, дизельное топливо (класс 4, вид окружающего пространства — 3) демонстрирует диапазон скорости взрывного превращения, соответствующий значению 5.

При этом для обоих веществ характерен дефлаграционный механизм взрывного превращения. Учитывая низкую летучесть данных веществ, в последующих расчётах принималось допущение о формировании гетерогенной топливно-воздушной смеси.

Масса горючего, участвующего во взрывном превращении (табл. 1) составит:

m = ((φ Vрез) / Vм) М,

(1)

где,

V_рез – объем резервуара (Па) - V_рез=2200  м³

V_м – объем молярный (принимается 22,4 м³/кмоль);

М – молекулярная масса (принимаем 114 кг/кмоль (по октану));

P_н.п. – давление насыщенных паров (Па).

Таблица 1.

Результаты расчетов массы горючего в топливно-воздушной смеси за максимальный интервал времени испарения

t, 0С	Масса испарившегося горючего m, кг для резервуара
	№1	№2	№3	№4	№5
					Летн.	Зимн.
1	2	3	6	7	8	9
-40	30,85	30,85	30,85	29,70	0,00	0,02
-30	48,49	48,49	48,49	46,11	0,01	0,06
-20	72,88	72,88	72,88	68,51	0,03	0,15
-10	105,45	105,45	105,45	98,06	0,08	0,36
0	147,60	147,60	147,60	135,89	0,19	0,78
10	200,71	200,71	200,71	183,08	0,42	1,56
20	266,14	266,14	266,14	240,65	0,84	2,93
30	345,11	345,11	345,11	309,52	1,60	5,20
40	438,77	438,77	438,77	390,53	2,86	8,80

 

Далее произведён расчет энергетического потенциала взрыва и параметров воздушной ударной волны. Определение избыточного давления на фронте ударной волны выполнялось по методике, установленной Приказом Ростехнадзора № 412.

Энергозапас горючей смеси определяется выражением (2.7):

E =2⋅ m qг,

(2)

где:

m – масса горючего вещества в облаке, кг;

q_г  - удельная теплота сгорания горючего вещества, Дж/кг.

Удельная теплота сгорания выбирается исходя из справочных данных или оценивается как q_г =44×ß = 44⋅10⁶, МДж/кг, где ß - корректировочный параметр для наиболее распространенных в промышленном производстве опасных веществ.

Таблица 2.

Результаты расчета энергозапаса в случае взрыва облака топливно-воздушной смеси

t, 0С	Энергозапас в топливно-воздушной смеси (E), МДж
	№1	№2	№3	№4	№5
					Летн.	Зимн.
1	2	3	6	7	8	9
-40	1018,11	1018,11	1018,11	980,20	0,00	0,63
-30	1600,29	1600,29	1600,29	1521,64	0,32	1,90
-20	2405,18	2405,18	2405,18	2260,82	0,95	5,05
-10	3479,84	3479,84	3479,84	3235,97	2,53	12,00
0	4870,70	4870,70	4870,70	4484,36	6,32	25,90
10	6623,56	6623,56	6623,56	6041,70	13,90	51,49
20	8782,67	8782,67	8782,67	7941,45	27,80	96,66
30	11388,75	11388,75	11388,75	10214,28	52,75	171,53
40	14479,41	14479,41	14479,41	12887,33	94,45	290,30

 

Определение размерных величин избыточного давления и импульса для сценария «Взрыв ТВС при разгерметизации резервуара для случая дефлаграции облака гетерогенной смеси:

Px2 = Vг/C0 (((σ-1)/σ) ((0,83/Rx) - (0,14/Rx)),

(3)

где:

R_x – величина приведенного расстояния;

V_г – скорость фронта пламени, м/с;

C₀ – скорость звука в воздухе (335 м/с);

σ принимаем равной 4.

Vг = k m1/6,

(4)

где:

k – коэффициент равный 43 (для резервуара №5);

m – масса горючего в топливно-воздушной смеси, кг;

для резервуаров 1-4: V_г = 150 м/с (п.25 Приказ РТН № 412 от 28.11.2022 г.)

Таблица 3.

Результаты расчета величины избыточного давления для сценария «Взрыв ТВС при разгерметизации резервуара» для здания АБК

t, 0С	Избыточное давление во фронте воздушной ударной волны, ΔР (кПа)
	№1	№2	№3	№4	№5
					Летн.	Зимн.
1	2	3	6	7	8	9
-40	3,62	3,80	3,68	3,41	-	0,04
-30	4,21	4,42	4,28	3,95	0,03	0,08
-20	4,82	5,06	4,90	4,51	0,05	0,12
-10	5,45	5,72	5,54	5,08	0,09	0,19
0	6,10	6,40	6,20	5,66	0,14	0,28
10	6,76	7,09	6,86	6,25	0,20	0,39
20	7,42	7,79	7,54	6,85	0,29	0,54
30	8,09	8,50	8,22	7,45	0,40	0,71
40	8,77	9,21	8,91	8,05	0,53	0,93

 

По результатам расчёта дефлаграционного взрыва облака топливно-воздушной смеси установлено, что максимальное избыточное давление воздушной ударной волны для резервуаров с бензином составляет 9,21 кПа при температуре +40°C, что соответствует зоне слабых–средних повреждений. Для резервуара с дизельным топливом расчётные значения существенно ниже и не превышают 0,93 кПа, что обусловлено низкой интенсивностью испарения топлива. Наибольшую взрывную опасность представляют резервуары № 1–4, содержащие бензиновые фракции.

Расчет напряжено-деформационного состояния конструкций зданий от воздействия ударной волны.

Для расчета напряженно-деформационного состояния конструкций зданий от воздействия ударной волны была произведена оценка повреждений зданий и сооружений нефтебазы. В качестве исходных данных использовались значения избыточного давления воздушной ударной волны, полученные в ходе предварительных расчетов.

Оценка напряженно-деформированного состояния конструкций произведена в программном комплексе ЛИРА-САПР. Для решения поставленной задачи использовался метод конечных элементов, основной целью которого являлось определение величины перемещений конструкций после воздействие кратковременных импульсных нагрузок.

В качестве исследуемых объектов рассматривался административно-бытовой корпус, расположенный вблизи резервуарного парка. Далее представлен результат расчета наибольшего значения избыточного давления при аварийном сценарии, связанном со взрывом бензиновых фракций в резервуаре № 2.

Таблица 4.

Результаты расчёта деформационных перемещений конструкций по результатам моделирования в ЛИРА-САПР

Сценарий 2. «Взрыв ТВС при разгерметизации резервуара №2»

Давление взрывной волны 9,21 кПа.

Параметр	Окна	Фундамент	Стена	Кровля	Перекрытие	Максимальные перемещения
Перемещение по направлению взрывной волны, мм	разрушено	0,08	17,9	13,2	1,07	17,9
Горизонтальные предельные перемещения	Допустимые: 14 мм
Вывод по зданию	степень разрушения: средняя

 

Результаты расчета напряженно-деформированного состояния конструкций показали превышение допустимых перемещений. Максимальные горизонтальные смещения наружных стен составили от 16 до 18 мм при нормативно допустимом значении 14 мм, установленном СП 20.13330.2016. Основные деформации сосредоточены в зонах наружных стен и покрытия, непосредственно воспринимающих фронт ударной волны.

Заключение

Проведенные в рамках исследования расчеты и анализ позволяют сделать ряд важных выводов, имеющих существенное значение для обеспечения взрывозащищенности объектов нефтебазы.

Расчёты в ЛИРА-САПР трансформируют абстрактные параметры взрыва в конкретные инженерные решения, позволяя перейти от качественной оценки к количественной, что критически важно для обеспечения безопасности объектов нефтебазы. Кроме того, применение программного комплекса позволяет оптимизировать распределение ресурсов: фокус на уязвимых элементах (оконных заполнениях и наружных стенах) сокращает затраты на усиление конструкций, не снижая при этом общей эффективности защитных мер.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для: оптимизации распределения защитных мероприятий, выявления наиболее уязвимых элементов конструкций, разработки рекомендаций по усилению зданий, планирования мероприятий по повышению взрывозащищенности.