5.5. Взрывы на магистральных газопроводах

При разрушении (разгерметизации) газопроводов взрывоопасный газ истекает под высоким давлением в атмосферу. При снижении давления в газопроводе срабатывает отсекающая арматура (автоматы закрытия кранов), перекрывающая аварийный участок. Объем поступившего в окружающую среду газа зависит от длины блокируемого автоматами участка и времени срабатывания запорной арматуры.

В местах разрушения в грунте образуется воронка. Метан поднимается в атмосферу, а другие газы или их смеси распространяются вдоль приземного слоя. Смешиваясь с атмосферным воздухом, эти газы образуют облако взрывоопасной смеси. Статистика показывает, что около 80 % аварий сопровождаются крупными пожарами и взрывами. Искры возникают в результате взаимодействия частиц газа с металлом и твердыми частицами грунта. Обычное горение может перейти во взрыв за счет самоускорения пламени при его распространении по рельефу и в лесных массивах. Горение при авариях на газопроводах может происходить по дефлаграционному или детонационному режиму. Рассмотрим порядок расчета характеристик взрыва для наиболее опасного режима – детонационного. Расчетная схема определения перепадов давлений при взрывах на газопроводе приведена на рис. 5.2.

Схема включает две зоны – зону детонации радиусом R₀ и зону воздушной ударной волны.

Рис. 5.3. Схема взрыва на газопроводе по детонационному механизму

При авариях и взрывах на магистральных газопроводах зону детонации и зону действия ВУВ определяют с учетом направления ветра. Эти зоны спасения от точки взрыва А по направлению ветра.

·     Дальность распространения облака взрывоопасной смеси в направлении ветра определяется по эмпирической формуле

, м                                        (5.17)

где G – массовый секундный расход газа из поврежденного участка трубы, кг/с;

u– скорость ветра, м/с.

·     Граница зоны детонации, ограниченная радиусом, в результате истечения газа за счет нарушения герметичности газопровода, определяется по формуле

, м                                (5.18)

·     Массовый секундный расход газа G из газопровода для критического режима истечения (при условии р > 2р_атм) рассчитывается по формуле

, кг/с                               (5.19)

В этой формуле:

S – площадь отверстия, из которого истекает газ (принимается равной площади поперечного сечения трубы), м²;

р – давление газа в газопроводе, Па;

V – удельный объем транспортируемого газа, м³/кг.

·     Величина удельного объема рассчитывается по формуле

, м³/кг                                     (5.20)

где R – удельная газовая постоянная транспортируемого газа, Дж/(кг·К);

Т – температура транспортируемого газа, К.

·     Величина R зависит от состава транспортируемого газа и молярных масс входящих в него компонентов:

, Дж/(кг·К),                            (5.21)

где 8314, Дж/(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная;

n – количество компонентов в смеси транспортируемого газа;

C_i – объемные доли компонентов;

m_i – молярные массы компонентов, кг/кмоль.

Будем считать, что граница зоны детонации распространяется от точки взрыва по направлению ветра на расстоянии l = 2R₀. За пределами зоны детонации по обе стороны от нее находятся зоны действия ВУВ. В случае заблаговременного прогнозирования, зоны детонации и ВУВ определяются и наносятся на план местности в виде полосовых участков (для различных возможных направлений ветра). При оценке возможных разрушений на планах местности наносится также границы зоны возможных сильных разрушений, границы которых определяются величиной избыточного давления Δр = 50 кПа. В зависимости от класса магистральных газопроводов, рабочее давление газа Р может составлять:

·     более 2.5 МПа – газопроводы высокого давления;

·     1.2÷2.5 МПа – среднего давления;

·     менее 1.2 МПа – низкого давления.

Температура транспортируемого газа принимается Т = 40°С (313 К).

При расчете избыточных давлений сначала находится радиус зоны детонации R₀ по формулам (5.12-5.16), а затем с помощью данных, приведенных в табл. 5.7 находятся значения Δр в зоне ВУВ в зависимости от безразмерного расстояния  от центра взрыва.

Пример

Пусть требуется определить радиус зоны детонации при подрыве газопровода диаметром 0.5 м и скорости ветра u=1 м/с. Состав транспортируемого газа приведен в табл. 5.15.

Таблица 5.15

Состав транспортируемого газа

Исходные данные

d = 0.5 м;

p = 1.9 МПа;

T = 40° С;

u = 1 м/с.

Порядок расчета

1. Рассчитываем молярные массы m_i компонентов газа и заносим в таблицу.

2. Находим удельную газовую постоянную R смеси компонентов по формуле (5.21)

 Дж/(кг·К).

3. Определяем удельный объем газа по формуле (5.20)

 м³/кг.

4. Рассчитываем массовый секундный расход газа по формуле (5.19)

 кг/с.

5. Находим радиус зоны детонации по формуле (5.18)

 м.