Устройства против растекания жидкости.
Характер растекания жидкости при авариях аппаратов и трубопроводов, а также величина залитой жидкостью площади определяются многими факторами: количеством излившейся жидкости, ее вязкостью, температурой жидкости и среды, интенсивностью излива жидкости, высотой падения струи, наличием уклона площадки или пола, состоянием поверхности и т. п. Естественно, что учесть все это и расчетным путем определить возможную площадь растекания жидкости весьма трудно. Практика показала, что, например, разливаясь по бетонной горизонтальной площадке, 1 л авиационного топлива марки Т-1 при температуре 18СС занимает площадь 0,8 м
а то же количество минерального масла (вязкость при 18°С равна 30 сл/сек) заливает площадь 0,2 м2.Отсюда видно, что при значительных количествах выходящей наружу жидкости могут быть залиты большие участки территории. При уклонах местности жидкость будет распространяться преимущественно в одном направлении и на большую длину. Для ограничения свободного растекания горючей жидкости при повреждениях и авариях аппаратов устраивают обвалования, стенки, бортики, пороги, лотки и т. п. В соответствии с правилами пожарной безопасности отдельно стоящие наземные или полуподземные резервуары и группы резервуаров с огнеопасными жидкостями и сжиженными газами ограждаются с учетом рельефа местности сплошным земляным валом высотой по расчету, но не менее 1 м и шириной в верхней части не менее 0,5 м или сплошной несгораемой стенкой высотой также не менее 1 м. Вал и стенка рассчитываются на гидростатическое давление разлившихся жидкостей. В местах перехода людей через вал или стенку устраивают стационарные лестницы-переходы, а места прохода трубопроводов уплотняют глиняными замками.
Группы аппаратов емкостного типа (электродегидраторы, отстойники и т. п.) также ограждаются валом или стенкой.
Отдельно стоящие резервуары с горючими жидкостями и сжиженными газами, а также резервуарные парки располагают преимущественно на более низких отметках территории по отношению к промышленным установкам, предприятиям и населенным пунктам. Если же резервуары размещены на более высоких отметках (уклон местности более 0,01%) по отношению к смежным объектам и находятся от них на расстоянии меньше 400 м, топредусматривают сооружение одного из следующих дополнительных защитных устройств, предотвращающих возможный разлив жидкостей при аварии: второго земляного вала или ограждающей стены на расстоянии не ближе 20 м от основного обвалования, рассчитанного на удержание 50% объема жидкости наибольшего резервуара В качестве второго обвалования можно использовать внутризаводские автодороги, приподнятые до необходимых отметок; отводящих каналов (траншей) шириной по верху не менее 2 м, глубиной не менее 1 м на расстоянии не менее 20 м от основного обвалования. На противоположной по отношению к резервуару стороне канала устраивают небольшой вал; открытого земляного амбара емкостью не менее объема наибольшего резервуара в парке и шириной не более 40 м, на расстоянии не менее 20 м от основного обвалования. Для направления жидкости в амбар предусматривают дополнительное обвалование или кювет с валом.
Если производственное помещение или открытая установка имеет значительную площадь и на ней сравнительно равномерно размещено большое количество аппаратов с огнеопасными жидкостями (поэтому устройство бортиков у каждого аппарата или для группы аппаратов нецелесообразно), то появляется необходимость разделения всей производственной площади бортиками на противопожарные отсеки. В пределах выделенного отсека ограничивается разлив жидкости и размер возможной площади горения. Чтобы жидкость не попадала через дверные проемы из помещения наружу или в смежные помещения, устраивают пороги с пандусами высотой не менее 15 см. С такой же целью в туннелях для прокладки трубопроводов через 60 м устраивают пороги. Растекание излившейся на территории жидкости может быть ограничено также устройством лотков, желобов, располагаемых с учетом естественного уклона местности. Устройства против растекания жидкостей следует содержать в исправности. Валы, бортики и пороги, поврежденные при производстве ремонта или монтажа оборудования, должны быть восстановлены до пуска оборудования в эксплуатацию.
Источник
Вопрос 2. Защитные устройства, ограничивающие растекание горючих жидкостей при аварии.
Защита аппаратов от распространения пожара осуществляется по двум основным направлениям: от растекания при аварийном истечении огнеопасных жидкостей; и от разрушения при взрыве.
Защиту от разрушения при взрыве мы рассмотрим с вами в следующем вопросе. А сейчас рассмотрим, какие защитные мероприятия и защитные устройства необходимо применять для ограничения растекания горючих жидкостей при возникновении аварийной ситуации.
Защита от растекания.
Локализация аварии и пожара в технологических процессах с применением ЛВЖ и ГЖ зависит от решения по предупреждению аварийного истечения огнеопасных жидкостей из поврежденного технологического оборудования и предупреждению растекания излившейся части жидкости.
Предупреждение или уменьшение аварийного истечения жидкостей из поврежденных аппаратов и трубопроводов обеспечивается установкой в определенных точках технологической схемы необходимого количества устройств, с помощью которых можно оперативно прекратить или уменьшить выход горючих веществ наружу.
Чаще всего для этой цели используют запорные задвижки ручного действия или с дистанционным пуском, с автоматическим приводом, а также другие специальные устройства такие, как скоростные отсекатели потока, обратные клапаны, мембранные клапаны и т.п.
Введение в действие этих устройств часто блокируют с автоматическим отключением перекачивающих насосов.
Предупреждение растекания излившейся жидкости обеспечивают устройством на пути ее движения различных преград. Это устройство обвалований, стенок, бортиков, порогов, лотков и т. п.
Обвалование устраивают вокруг отдельно стоящих наземных или полуподземных резервуаров или группы резервуаров, а также вокруг электродегидраторов, отстойников и других аппаратов емкостного типа с ЛВЖ и ГЖ или сжиженными газами.
Его устраивают в виде сплошного земляного вала с расчетной высотой и шириной или сплошной стенки из негорючих материалов.
Кроме этого предусматривают мероприятия против растекания жидкости, которые сводятся к устройству перемычек, порогов, валов, стенок, бортиков и дренажей.
Вопрос 3. Способы защиты технологического оборудования от разрушения при взрыве:
мембранные предохранительные клапаны, их устройство, принцип действия.
Защита аппаратов от разрушения при взрыве.
Масштабы возможных разрушений при взрыве аппарата зависят от многих факторов, основными из которых являются химические свойства вещества, концентрация его в смеси с воздухом, объем аппарата, давление и температура смеси до взрыва.
Характерным и главным признаком взрыва является быстрое нарастание давления, образование в локальной зоне повышенного давления, распространение в окружающую среду взрывной волны.
И именно быстро нарастающее давление внутри аппарата является основным показателем, разрушающим аппарат при взрыве.
Комплекс методов и средств защиты технологического оборудования должен включать (в последовательности от стадии возникновения горения):
предотвращение образования и воспламенения горючей смеси внутри технологического оборудования;
подавление возникшего внутри оборудования загорания в начальной стадии;
применение прочного оборудования, способного выдержать полное давление взрыва;
применение устройств для безопасного сброса взрыва (взрывные клапаны и предохранительные мембраны);
применение внешних ограждений для защиты окружающего пространства от поражающего воздействия взрывной волны и разлетающихся осколков.
Для выбора требуемой прочности оборудования, способного выдержать полное давление взрыва, необходимо, прежде всего, определить максимальное давление взрыва.
Давление при взрыве парогазовоздушной смеси можно рассчитать по следующей формуле:
n — количество смеси в молях до взрыва;
m — количество смеси в молях после взрыва;
z — коэффициент сжимаемости реальных газов.
Температуру продуктов горения при взрыве Твзр можно взять из справочников.
Защиту аппаратов от разрушения при взрыве осуществляют путем создания условий для своевременного стравливания из них образующихся продуктов сгорания.
Для этой цели не могут быть использованы предохранительные клапаны, которые эффективны для защиты аппаратов от избыточного давления, образующегося при нарушениях технологического процесса производства.
Причина этого кроется в значительной разнице скоростей приращения давления при нарушении работы аппаратов и взрыве.
Предохранительные клапаны имеют недопустимо большую инерционность срабатывания и малое, для стравливания продуктов взрыва, живое сечение.
В связи с этим для того, чтобы в аппарате, где возможен взрыв, не образовалось давление выше пробного (расчетного), аппарат защищают взрывными предохранительными клапанами мембранного типа (взрывными мембранами) или в виде шарнирно-откидных дверец.
Рис. Предохранительный клапан с шарнирно-откидной дверцей.
а)- до взрыва или перед нарастанием взрывного давления; б)- после взрыва; 1-рама клапана; 2-дверца (клапан); 3-противовес; 4-упор для фиксации клапана в исходном положении.
Взрывные клапаны с шарнирно-откидными дверцами применяют для защиты трубчатых печей, топок котлов, газогенераторов и других аппаратов. Герметичность ее обеспечивается прижатием под действием собственного веса и противовеса. При нарастании взрывного давления в аппарате дверца клапана откидывается на шарнире и, выпустив избыточное давление, вновь закрывает выпускное отверстие.
Наиболее широкое распространение в технологии получили взрывные мембраны.
Ими, в частности, защищают центробежные распылительные сушилки, используемые при производстве сухого молока и кормовых дрожжей. Ими защищают ацетиленовые генераторы и ацетиленопроводы при производстве ацетилена. Далее магистральные линии рекуперационных станций, электрические и рукавные фильтры пылеулавливающих систем и другие аппараты.
По характеру разрушения различают разрывные, срезные, ломающиеся, хлопающие, выщелкивающие и отрывные взрывные мембраны.
Разрывные мембраны при срабатывании разрываются, поэтому их чаще изготавливают в виде тонкой пластины, плоской или вогнутой, из пластинчатых металлов (алюминия, никеля, меди, латуни или других).
Срезные мембраны отличаются механизмом разрушения. Они не разрываются, а срезаются по периметру острой кромки прижимного кольца. Изготавливают их из мягких материалов.
Ломающиеся мембраны при срабатывании ломаются и поэтому они выполняются из хрупких материалов (чугуна, графита, стекла). Они чувствительно реагируют на нагрузки динамического характера, являются малоинерционными.
Хлопающие мембраны имеют форму сферического купола, выпуклая сторона которого обращена к зоне повышенного давления (внутрь защищаемого аппарата). Когда в аппарате повышается давление сверх критического давления, купол мембраны теряет устойчивость и выворачивается в обратную сторону. При этом она сталкивается с крестообразным ножом и разрезается. Хлопающие мембраны изготавливают из тонколистового проката пластинчатых материалов.
Выщелкивающие мембраны применяют в тех случаях, когда разрывные и срезные мембраны из-за малой их толщины допускают ложные срабатывания. Выщелкивающие мембраны чаще изготовляют из пластмасс, они имеют выпуклую форму, их крепят в специальном гнезде (кольцевой выточке) с помощью мягкого припоя или замазки. При срабатывании выщелкивающие мембраны выбиваются из гнезда, полностью освобождая живое сечение стравливающего патрубка. После срабатывания выщелкивающие мембраны вновь могут быть использованы (они многоразового действия).
Отрывные мембраны применяют для защиты аппаратов с большим рабочим давлением (змеевиковые реакторы производства полиэтилена Рраб=150-200МПа (1500-2000 атм), колонны синтеза производства карбамида из аммиака Рраб=20МПа (200 атм) и т.п.). Такие мембраны имеют вид колпачка, отлитого заодно с фланцами для крепления, и имеют ослабленное сечение, по которому и происходит ее отрыв при срабатывании.
Основные размеры разрывных мембран (диаметр и толщина), общую их площадь и количество определяют расчетом.
Мембранные клапаны, как правило, размещают: у аппаратов – в верхней части; у трубопроводов и воздуховодов – на поворотах и тупиках.
Место установки должно учитывать безопасность людей и пожарную безопасность: стравливаемые высоконагретые продукты взрыва должны быть направлены в сторону от людей и горючих веществ.
Материал мембран подбирают не только с учетом характера изменения нагрузок на мембрану, но и химической активности среды в защищаемом аппарате или трубопроводе.
Аппараты после срабатывания взрывных мембран немедленно останавливают, все трубопроводы перекрывают. Пуск их в работу разрешается только после выяснения и устранения причин, вызывающих срабатывание мембран, и замены разрушенных мембран.
Источник
Устройства по ограничению аварийного растекания ЛВЖ и ГЖ
При повреждениях и авариях аппаратов из них происходит свободный разлив горючих жидкостей, нередко на значительной площади.
Предупреждение или уменьшение аварийного истечения жидкостей из поврежденных аппаратов и трубопроводов обеспечивается установкой в определенных точках технологической схемы необходимого количества устройств, с помощью которых можно оперативно прекратить или уменьшить выход горючих веществ наружу.
Чаще всего для этой цели используют запорные задвижки ручного действия или с дистанционным пуском, с автоматическим приводом, а также другие специальные устройства (скоростные отсекатели потока, обратные клапаны, мембранные клапаны и т. п.). Введение в действие этих устройств часто блокируют с автоматическим отключением перекачивающих насосов.
Предупреждение аварийного растекания излившейся жидкости обес-печивают устройством на пути ее движения различных преград (защитных обвалований, стенок, бортиков, порогов, лотков и т. п.).
Если производственное помещение или открытая установка имеют значительную площадь и на ней равномерно размещается технологическое оборудование с горючими и легковоспламеняющимися жидкостями, разделение производственной площади бортиками на противопожарные отсеки ограничивает аварийный разлив жидкости и размер возможной площади горения.
Чтобы разлившаяся при аварии жидкость не попадала через дверные проемы из помещения наружу или в смежные помещения, устраивают пороги с пандусами.
Аварийный разлив горючих жидкостей по территории производственного предприятия может быть ограничен устройством лотков, желобов, канав, дополнительных насыпей и других сооружений, располагаемых с учетом рельефа местности и аварийной ситуации.
Отдельно стоящие резервуары и группы резервуаров с горючими жидкостями ограждаются земляным валом и несгораемой стеной, рассчитанной на гидростатическое давление разливающихся жидкостей. Однако такие преграды способны удержать поток жидкости только при локальном разрушении технологического оборудования или частично заполненного жидкостью аппарата, т. е. когда напор потока недостаточен для перелива через обвалование.
При полном разрушении крупногабаритных технологических аппаратов, например резервуаров, поток жидкости (так называемая волна прорыва) движется по законам динамики, поэтому земляные обвалования не
могут его удержать и разрушаются. Для повышения безопасности населения, объектов застройки населенных пунктов и природы, которые могут оказаться в зоне воздействия волны прорыва, образующейся при квази-мгновенном разрушении РВС, необходимо применять защитные инженерные сооружения, устойчивые к гидродинамическому воздействию.
Для решения этой задачи рассмотрим процессы возникновения и распространения волны прорыва, образующейся при разрушении РВС, и ее взаимодействия с защитными преградами.
Для волны прорыва свойственны наличие резкого фронта в виде бора (вала), достигающего значительной высоты и движущегося с большой скоростью, а также большая разрушительная сила потока. При этом типе движения профиль волны имеет резко выраженную кривизну линий тока, изменение которой, как правило, столь круто, что профиль потока, по существу, разрывается, приходя в состояние высокой турбулентности. Следовательно, вертикальный компонент ускорения играет здесь значительную роль, тогда как влиянием трения в канале практически можно пренебречь по сравнению с динамическим эффектом движения потока.
Характерными особенностями этого вида движения являются:
— кривизна потока, которая выражена настолько резко, что распределение давления не может быть принято гидростатическим;
— быстрое изменение режима потока происходит на относительно коротком участке, поэтому граничное трение, как правило, ничтожно;
— при возникновении быстро изменяющегося движения в резких переходных сооружениях физические характеристики потока определяются в основном геометрией границ сооружения и состоянием потока.
Основным способом решения задачи, связанной с образованием волны прорыва при внезапном разрушении водохранилища и распространением ее в широком прямоугольном русле с постоянным уклоном, являются методы вычислительной гидравлики, использующие дифференциальные уравнения Сен-Венана [7] вида
(9.14)
где h – глубина потока; q – расход на единицу ширины; 
– скорость течения; I – уклон дна русла; t – время; x – пространственная переменная; 
– коэффициент гидравлического трения.
Решение задачи о неустановившемся движении жидкости в открытом русле сводится к интегрированию уравнений Сен-Венана или их модификаций. В результате должны быть получены две функции Q = Q(t, l) и w = w(t, l), зная которые можно найти изменение расхода во времени в любом створе потока и построить мгновенный профиль свободной поверхности в любой момент времени. Однако дифференциальные уравнения Сен-Венана являются нелинейными и их интегрирование в общем случае невозможно. Поэтому на практике применяются методы приближенного (численного) интегрирования с использованием ЭВМ, решения которых, вследствие их ограниченной точности, необходимо тестировать путем сравнения результатов численных вычислений с натурными данными или результатами лабораторных опытов.
Математическая модель возникновения и распространения волны прорыва, образующейся при разрушении РВС, а также ее взаимодействия с защитной преградой разработана на основании известных теоретических положений о неустановившихся гидродинамических явлениях совместно
с кафедрой нефтегазовой гидродинамики Академии нефти и газа
им. И. М. Губкина [8].
Рассматривалось движение слоя жидкости глубиной 
по плоскости, наклоненной к горизонту под углом 
, которое характеризовалось осредненными по высоте слоя компонентами скорости 
, соответственно, вдоль осей 0Х и 0Y. Жидкость предполагалась несжимаемой, поэтому уравнение неразрывности, проинтегрированное по высоте слоя, приводило к уравнению, связывающему эту высоту с осредненными компонентами скорости течения:
. (9.15)
Под повторяющимся индексом 
подразумевали суммирование
от 1 до 2.
Поскольку основными факторами, определяющими развитие волны прорыва, являются силы тяжести и инерции жидкости, в уравнениях
движения трением пренебрегали, а в качестве движущей силы приняты
горизонтальные составляющие градиента гидростатического давления, обусловленного непостоянством глубины слоя жидкости. В этом случае имели
, (9.16)
где 
– ускорение силы тяжести; 
– углы, образованные вектором скорости и направлением силы тяжести.
В одномерной задаче, моделирующей распространение жидких лавин при разрушении стенок плоского канала или резервуара, система определяющих уравнений (9.15) и (9.16) упрощалась:
 |
|
;
.
Входящий в нее индекс 
равен 0 или 1 в зависимости от того, плоская или цилиндрическая симметрия рассматривалась.
Рассматриваем плоскую задачу: между двумя створами 
имеется бесконечный канал, заполненный жидкостью с постоянной глубиной Н0. В начальный момент времени 
створы мгновенно разрушаются и покоящаяся до того жидкость приходит в движение, растекаясь в обе стороны. На расстояниях 
справа и слева от створов канала, т. е. в точках 
, расположены защитные стенки, препятствующие проникновению жидкости в область 
> L. Необходимо найти высоту стенок с учетом того обстоятельства, чтобы жидкая лавина не смогла их преодолеть. Ответ на этот вопрос может быть найден из решения следующей краевой задачи:
;
|
; (9.18)
.
При этом высота Нс защитных стенок находится как максимальная высота подъема жидкости в точках , т. е. 
.
Решение сформулированной задачи осуществлялось численно с помощью метода С. К. Годунова [9, 10] и использования результатов решения задачи о распаде произвольного разрыва в системе дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка (9.15), (9.16).
На рис. 9.4 представлены результаты расчета, полученные при решении задачи о разрушении РВС (R = 10 м; Н0 = 10 м; L = 20 м), в виде типичных кривых, определяющих профиль жидкости в последовательные моменты времени с шагом 0,5 с. На рисунке прослеживаются основные стадии процесса: распространение потока жидкости в направлении стенки, сопровождающееся понижением уровня жидкости в резервуаре; удар лавины о защитную стенку и резкий выброс жидкости вверх, вдоль нее; образование обратного вала жидкости, отраженного от стенки и распространяющегося по направлению к центру резервуара. Максимальная высота Нс подъема жидкости на стенке составляет в рассматриваемом случае 5,3 м. Именно при такой высоте защитной стенки должно быть исключено проникновение жидкости в область за стенку.
 |
Рис. 9.4. Типичные кривые, определяющие профиль потока жидкости
при взаимодействии с преградой
Аналогичный вид имеет форма вала жидкости и во всех других случаях, как плоских, так и радиальных.
В процессе расчетов варьировался единственный безразмерный параметр L/R, определяющий положение стенки по отношению к резервуару. На рис. 9.5 сплошной линией представлена зависимость безразмерной высоты стенки Нс/Н0, достаточной для перекрытия пути движущейся лавине жидкости в зону за стенку, от безразмерного расстояния L/R. Пунктирной линией обозначена зависимость безразмерной высоты нормативной стенки, рассчитанной на гидростатическое давление вылившейся из РВС жидкости.
 |
Рис. 9.5. Зависимость безразмерной высоты стенки от безразмерного расстояния
до места ее расположения от резервуара
Из приведенных на рис. 9.5 графиков следует, что высота защитной стенки при гидродинамическом воздействии должна быть значительно выше, чем используемая на практике нормативная, что подтверждает также статистика разливов жидкостей при разрушениях РВС.
Для ограничения аварийного растекания ЛВЖ и ГЖ в этом случае предлагается обустройство специальной защитной стены с отбойным козырьком,
способной удержать поток жидкости и свести к минимуму последствия техногенной аварии. Конструкция такой преграды показана на рис. 9.6.
 |  |
Рис. 9.6. Общий вид защитной стены с отбойным козырьком
для РВС-30000 на нефтебазе «Шесхарис» г. Новороссийска
Отличительной особенностью защитной стены является отбойный козырек в ее верхней части, который отбрасывает (закручивает в противоположную сторону) поток надвигающейся жидкости и предотвращает ее перехлест через обвалование.
Если резервуары размещены на более высоких отметках по отношению к промышленным установкам, предприятиям и населенным пунктам и расположены от них на меньшем расстоянии, чем установлено нормами, наряду с защитной стеной применяют дополнительные защитные устройства: второй земляной вал или ограждающую стену; отводные каналы
(траншеи); открытые земляные амбары.
1. Какие мероприятия включает в себя защита технологического оборудования от разрушения?
2. Как определить максимальное давление взрыва?
3. От каких параметров зависит величина давления взрыва?
4. Для чего в технологическом оборудовании применяют взрывные мембраны?
5. Как классифицируются мембраны?
6. Принцип работы взрывного клапана с откидными дверцами.
7. В каких случаях в технологическом оборудовании применяют выщелкивающие мембраны?
8. Как определить максимально допустимое давление срабатывания взрывной мембраны?
9. Как определить площадь сечения сбросного отверстия мембраны?
10. Как определить толщину мембраны?
11. Периодичность замены мембран на технологическом оборудовании.
12. Какие защитные устройства ограничивают растекание горючих жидкостей при аварии?
ЛИТЕРАТУРА
1. Пожарная безопасность технологических процессов: Рабочая программа. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2003.
2. Шатров Н.Ф., Волков О.М., Алексеев М.В. Пожарная профилактика технологических процессов производств. – М.: ВИПТШ МВД СССР, 1986.
3. ССБТ Пожарная безопасность. Общие требования (ГОСТ 12.1.004–91). – М.: ИПК издательство стандартов, 1996.
4. ССБТ Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля (ГОСТ Р 12.3.047–98). – М.: Госстандарт России, 1998.
5. Горячев С.А., Клубань В.С. Задачник по курсу «Пожарная профилактика технологических процессов». – М.: ВИПТШ МВД РФ, 1996.
6. Водяник В.И. Взрывозащита технологического оборудования. – М.: Изд. «Химия», 1991.
7. Школьников С.Я. Трансформация прорывной волны на суходоле / С.Я. Школьников, Н.С. Юзбеков // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. – 1999. – № 6. – С.26–30.
8. Лебедева Л.Н. Лавинные выбросы при разрушении резервуаров с жидкостями / Л.Н. Лебедева, М.В. Лурье, А.Н. Швырков // Инженерно-физический журнал. – 1991. – Т. 61. — № 5. – С. 726–731.
9. Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений гидродинамики // Мат. Сб. – 1959. – Т. 47. – Вып. 3. – C. 117–143.
10. Masson B. Application of Godunov’s method to bluntbody calculations / В. Masson, T. Taylor, R. Foster // AIAA J. – 1969. – Vol. 7. – № 4. – Р. 312–321.
Источник
