Способ определения параметров поражения от напорного воздействия струи газа при авариях на газопроводах высокого давления

Авторы патента:

Петрова Юлия Юрьевна (RU)

Гамера Юрий Васильевич (RU)

Овчаров Сергей Викторович (RU)

G01M7/08 - испытания на ударные нагрузки

Владельцы патента RU 2664589:

Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИГАЗ" (RU)

Изобретение относится к области промышленной безопасности опасных производственных объектов и может быть использовано для определения зон поражения человека и повреждения объектов инфраструктуры от напорного воздействия струи газа при авариях с гильотинным разрывом газопроводов высокого давления. Согласно способу определяют P_g0 - рабочее давление газа, находящегося в объекте разгерметизации, плотность газа в трубопроводе _go и координаты расположения потенциального разрыва участка газопровода. Затем определяют длину звукового участка струи газа, диаметр звукового сечения струи газа и массу газа, участвующего в создании поражающего фактора «напорное воздействие» при истечении из одного конца трубы. Затем определяют распределение динамического давления в заданных точках пространства и оценивают степень поражения исследуемого объекта. Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей, заключающихся в установлении картины пространственного распределения параметров поражения от напорного воздействия струи газа, образующейся при аварийной разгерметизации трубопроводов с природным газом (метаном) под высоким начальным давлением, и обеспечение возможности предупреждения поражения человека и повреждения объектов инфраструктуры динамическим воздействием высокоскоростных струй газа. 2 ил., 2 табл.

Из уровня техники известен способ определения параметров воздушной ударной волны (ВУВ) при разгерметизации сосудов со сжатым газом (патент РФ на изобретение №2541696 С1, кл. G01M 7/08, 20.02.2015). В известном способе предварительно определяют атмосферное давление, а также исходное давление в сосуде со сжатым газом и его объем, определяют значение тротилового эквивалента взрыва, пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва. Полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ наносят на диаграмму «давление-импульс» поражения людей. Затем составляют заключение о степенях поражения людей, а по параметрам сосуда и окружающей среды, а именно по значениям исходного давления в сосуде, атмосферного давления и объема сосуда, определяют радиус круговой зоны разрушения промышленного здания. Известный способ позволяет установить пространственную картину распределения параметров ВУВ, образующейся при аварийной разгерметизации сосудов, содержащих природный газ, метан, под высоким начальным давлением, и обеспечить защиту материальных ценностей и здоровье человека от воздействия ударной волны. Однако известный способ не позволяет при разгерметизации оборудования со сжатым газом, например, при разгерметизации наземного сосуда или подземного трубопровода, спрогнозировать возможные разрушения и поражения человека осколками аварийного объекта.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ определения параметров воздушной ударной волны при разгерметизации трубопроводов со сжатым газом (патент РФ №2551262, кл. G01M 7/08 (2006.01), опубл. 20.05.2015). В известном способе предварительно определяют атмосферное давление, характеристики трубопровода со сжатым газом и расстояние от места разрыва до ближайшего места завершения трубопровода. Затем определяют коэффициент эффективности ВУВ, определяют значение тротилового эквивалента взрыва, пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва. Полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ наносят на диаграмму «давление-импульс» поражения людей. Затем составляют заключение о степенях поражения людей. По параметрам трубопровода и окружающей среды определяют радиус круговой зоны разрушения (м) промышленного здания. Известный способ позволяет устанавливать пространственные картины распределения параметров ВУВ, образующейся при аварийной разгерметизации трубопроводов, содержащих природный газ, метан, под высоким начальным давлением, и обеспечить возможности защиты материальных ценностей и здоровья человека от воздействия ударной волны. Известный способ не позволяет спрогнозировать возможные разрушения и поражения человека осколками аварийного объекта.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании способа определения параметров поражения от напорного воздействия струи газа (динамического давления вынужденной струи газа и его поражающей способности в отношении человека и объектов инфраструктуры) при аварийной разгерметизации газопроводов высокого давления, позволяющего установить пространственное распределение.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, - расширение функциональных возможностей, заключающихся в установлении картины пространственного распределения параметров поражения от напорного воздействия струи газа, образующейся при аварийной разгерметизации трубопроводов с природным газом (метаном) под высоким начальным давлением, и обеспечение возможности предупреждения поражения человека и повреждения объектов инфраструктуры динамическим воздействием высокоскоростных струй газа.

Способ определения параметров поражения от напорного воздействия струи газа при аварийной разгерметизации трубопроводов заключается в том, что:

- определяют P_g0 - рабочее давление газа, находящегося в объекте разгерметизации (кПа); плотность газа в трубопроводе ρ_go (кг/м³) и координаты расположения потенциального разрыва участка газопровода, при условии, что для образования струи газа в месте гильотинного разрыва участка газопровода рабочее давление газа

, где P₀ - атмосферное давление (кПа),

γ - показатель адиабаты метана;

а расстояние (м) от места разрыва до ближайшего места локального завершения газопровода - , где d₀ - внутренний диаметр газопровода (м),

- определяют длину звукового участка - L_зв (м):

;

и диаметр звукового сечения - d_зв (м):

, где параметр решения задачи о напорном воздействии струи;

- определяют массу газа (кг), участвующего в создании поражающего фактора «напорное воздействие» при истечении из одного конца трубы:

- определяют распределение динамического давления (кПа) в заданных точках пространства из соотношения:

;

; ,

где - координата сечения по оси струи, отсчитываемая от среза трубы,

r - радиальная координата точки в срезе;

- сравнивают полученные значения динамического давления исследуемого объекта в заданной точке со значениями динамического давления, приводящего к повреждениям объектов инфраструктуры,

- по результатам сравнения оценивают степень поражения исследуемого объекта.

Аварии с гильотинным разрывом газопроводов высокого давления сопровождаются образованием высокоскоростной струи газа с дальнейшим поражением реципиентов (людей, зданий, сооружений) напорным воздействием. Предлагаемый способ позволяет определять параметры поражения от такого воздействия при аварийной разгерметизации трубопроводов с обращением сжатого газа.

Основными определяемыми параметрами поражения от напорного воздействия струи газа являются: динамическое давление вынужденной струи газа и его поражающая способность. Данные параметры позволяют определить зоны возможных разрушений зданий, сооружений и поражения человека газодинамическим воздействием при авариях.

Согласно предложенному способу сначала определяют Р_g0 - рабочее давление газа, находящегося в объекте разгерметизации (кПа); плотность газа в трубопроводе ρ_go (кг/м³) и координату расположения потенциального разрыва участка газопровода, причем для образования струи газа в месте гильотинного разрыва участка газопровода должны выполняться условия: для рабочего давления , где P₀ - атмосферное давление (кПа), γ - показатель адиабаты метана; для расстояния (м) от места разрыва до ближайшего места локального завершения газопровода (кранового узла, изгиба газопровода) , где d₀ - внутренний диаметр газопровода (м). Далее по перечисленным характеристикам устанавливают основные параметры сверхзвуковой струи газа:

длину звукового участка - L_зв (м) и диаметр звукового сечения - d_зв (м):

где параметр решения задачи о напорном воздействии струи; а также массу газа (кг), участвующего в создании поражающего фактора «напорное воздействие» при истечении из одного конца трубы:

Затем определяют распределение динамического давления (кПа) в заданных точках пространства. Так для основного участка осесимметричной струи распределение динамического давления по пространству задается соотношением:

;

; ,

где - координата сечения по оси струи, отсчитываемая от среза трубы, r - радиальная координата точки в срезе.

На звуковом участке поверхности равного давления являются боковыми поверхностями усеченного конуса, одним из оснований которого служит срез трубы, а вторым - круг в звуковом сечении радиусом .

Динамическое воздействие стационарной газовой струи на объекты инфраструктуры и человека подобно воздействию ветровых нагрузок.

Далее, используя значения динамического давления в заданной точке пространства и таблицу 1, в которой приведены значения динамического давления для расчета зон повреждения, определяют потенциальные зоны повреждения от напорного воздействия струи газа для объектов инфраструктуры. Считается, что опасными являются такие точки пространства , в которых значение динамического давления превышает приведенные в таблице для каждого реципиента.

Оценку зон поражения человека напорным воздействием струи газа проводят по соотношениям таблицы 2, (в табл. 2 приведены значения динамического давления для определения зон поражения человека) на основании следующих допущений:

1. Воздействие динамической нагрузки на человека моделируется последовательностью событий отрыва человека от подстилающей поверхности и свободного движения в потоке газа.

2. Консервативно принимается, что в момент разгона до максимальной скорости в потоке U_max человек сталкивается с преградой.

3. Пробит-функция гибели человека при ударе о преграду определяется как

Y=-2,14+2,54⋅ln(U_max);

4. При выводе соотношений в таблице 2 учитывался человек со средними параметрами: массой m=70 (кг) и площадью тела F=0,34 (м²), а также K=0,15 - коэффициент сцепления человека и подложки, С_x=0,2 - коэффициент аэродинамического сопротивления человека (в момент свободного движения в потоке газа). Максимальная скорость разгона человека потоком газа U_max (м/с) при этом определяется как

В качестве примера осуществления изобретения предлагается рассмотреть тестовый расчет размеров полей динамического давления вынужденной струи газа. Сценарий аварии - «Гильотинный разрыв подземного газопровода с образованием воздушной ударной волны, разлетом осколков трубы и фрагментов грунта, с образованием сверхзвуковой струи газа, последующим истечением газа из газопровода и рассеиванием истекающего газа без воспламенения».

Исходные данные:

- гильотинному разрыву подвержен газопровод внутренним диаметром

d₀=1 м, находящийся под рабочим давлением P_g0=7,5 МПа на расстоянии от места локального завершения трубопровода м;

- P₀=101,3 - атмосферное давление, (кПа);

- плотность газа в трубопроводе ρ_go=58 кг/м³;

- γ=1,4 - показатель адиабаты метана;

- при разрыве образовались две противоположно направленные высокоскоростные струи газа: настильная и свободная.

Условие образования обеих струй выполнено: .

Масса газа (кг), участвующего в создании поражающего фактора «напорное воздействие» каждой струи, составляет:

Параметр равен

Длина звукового участка и диаметр звукового сечения равны, соответственно:

Далее по формуле (3) проводится расчет значений динамического давления струи газа в заданных точках расчетной области.

В качестве расчетной области рассматривается прямоугольник размером 150×150 м, в котором определяется сетка с шагом 0,75 м, в плоскости земли вводится система координат , где - координата сечения по оси струи, отсчитываемая от среза трубы, r - радиальная координата точки в срезе.

Для визуализации рассчитанные в каждой точке значения динамического давления удобно представить в виде изолиний с постоянным значением динамического давления .

Поля динамического давления от вынужденных струй представлены на фигурах 1 и 2. На фиг. 1 представлен характерный вид распределения динамического давления в настильной струе при гильотинном разрыве газопровода диаметром d₀=1 м, находящегося под рабочим давлением P_g0=7,5 МПа (сетка м × м). На фиг. 2 - Изолинии (сетка м × м) динамического давления (кПа) для свободной (а) и настильной (b) вынужденных струях при гильотинном разрыве газопровода диаметром d₀=1 м, находящегося под рабочим давлением P_g0=7,5 МПа.

Далее, используя изолинии динамического давления для определения значения динамического давления в заданной точке пространства и таблицу 1, определяют потенциальные зоны повреждения от напорного воздействия струи газа для объектов инфраструктуры. Считается, что опасными являются такие точки пространства , в которых значение динамического давления превышает приведенные в таблице для каждого типа объектов окружения. Оценку зон поражения человека напорным воздействием струи газа проводят по соотношениям таблицы 2.

Способ определения параметров поражения от напорного воздействия струи газа при аварийной разгерметизации трубопроводов, заключающийся в том, что

- определяют P_g0 - рабочее давление газа, находящегося в объекте разгерметизации (кПа); плотность газа в трубопроводе ρ_go (кг/м³) и координаты расположения потенциального разрыва участка газопровода при условии, что для образования струи газа в месте гильотинного разрыва участка газопровода рабочее давление газа

где P₀ - атмосферное давление (кПа);

γ - показатель адиабаты метана;

а расстояние (м) от места разрыва до ближайшего места локального завершения газопровода , где d₀ - внутренний диаметр газопровода (м);

- определяют длину звукового участка L_зв (м):

;

и диаметр звукового сечения - d_зв (м):

где параметр решения задачи о напорном воздействии струи;

;

- определяют распределение динамического давления (кПа) в заданных точках пространства из соотношения:

;

; ,

где - координата сечения по оси струи, отсчитываемая от среза трубы, r - радиальная координата точки в срезе;

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Способ заключается в том, что на основании располагают дополнительные плиты с закрепленными на них виброизолируемыми объектами и настраивают регистрирующую аппаратуру, а на основании устанавливают два одинаковых бортовых компрессора для получения сжатого воздуха на борту летательного аппарата.

Стенд для исследования ударных нагрузок систем виброизоляции // 2658095

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Устройство содержит основание, на котором расположены дополнительные плиты с закрепленными на них виброизолируемыми аппаратами и регистрирующая аппаратура, на основании установлена аппаратура летательных аппаратов, например два одинаковых бортовых компрессора для получения сжатого воздуха на борту летательного аппарата.

Система виброизоляции с регулируемой жесткостью // 2658074

Изобретение относится к системам виброзащиты оборудования. Устройство содержит основание, на котором расположены дополнительные плиты с закрепленными на них виброизолируемыми аппаратами и регистрирующая аппаратура, на основании установлена аппаратура летательных аппаратов, например два одинаковых бортовых компрессора для получения сжатого воздуха на борту летательного аппарата.

Стенд для ударных испытаний // 2655700

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Стенд содержит стол для закрепления объекта испытаний (ОИ), установленный в центральной части связанного с основанием упругого элемента, средство создания ударной нагрузки в виде падающего груза.

Устройство для формирования нестационарной затухающей ударной волны в слое конденсированной среды // 2655695

Изобретение относится к устройствам для исследования ударно-волновых явлений в конденсированных средах и может быть использовано для получения нестационарных затухающих ударных волн (волн Тейлора) в конденсированной среде (в частности, в воде).

Способ исследования ударных нагрузок двухмассовой системы виброизоляции // 2654835

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Способ заключается в том, что на основании, на котором установлена аппаратура летательных аппаратов в виде двух одинаковых бортовых компрессоров для получения сжатого воздуха на борту летательного аппарата, один компрессор устанавливают на штатных резиновых виброизоляторах, а другой компрессор устанавливают на исследуемой двухмассовой системе виброизоляции, включающей в себя резиновые виброизоляторы и упругодемпфирующую промежуточную плиту с виброизоляторами, например, в виде пластин из полиуретана, которые также, как и штатные резиновые виброизоляторы компрессора, устанавливают на жесткой переборке, которую через вибродемпфирующую прокладку устанавливают на основании.

Пневматическое устройство для испытания конструкции двигателя летательного аппарата на ударное воздействие // 2652658

Изобретение относится к области технической физики, а именно к пневматическим устройствам для испытания конструкции двигателя летательного аппарата на ударное воздействие и может быть использовано при экспериментальных исследованиях и стендовых испытаниях на устойчивость элементов конструкции двигателя летательного аппарата при ударном воздействии от столкновений, преимущественно с обломками льда на режимах полета.

Способ исследования акустических характеристик объектов в заглушенной камере // 2652166

Изобретение относится к промышленной акустике. В заглушенной камере, в которой поглощается падающий на стены звук от испытуемого объекта, устанавливают испытываемый объект на плавающий пол, при этом заглушенную камеру размещают в отдельном здании с фундаментом, стенами, потолочным перекрытием, внутри которого, на автономном фундаменте, размещают ее стены, плавающий пол, на котором устанавливают испытуемый объект и легкое потолочное перекрытие, заглушенную камеру герметично облицовывают со всех сторон вновь разработанным и подлежащим испытанию звукопоглощающим элементом, при этом уровень звуковой мощности Lp испытуемого объекта определяют по результатам измерений среднего уровня звукового давления Lcp на его измерительной поверхности, за которую принимают площадь полусферы S, м2, т.е.

Способ управления газоприходом в пороховой баллистической установке и установка для его осуществления // 2651327

Группа изобретений относится к пороховым баллистическим установкам (ПБУ), используемым в качестве разгонных устройств в стендах для испытаний конструкций на воздействие интенсивных механических нагрузок.

Способ испытаний многомассовых систем виброизоляции // 2650848

Изобретение относится к оборудованию для испытаний приборов на вибрационные и ударные воздействия. Сущность: на основании через вибродемпфирующую прокладку закрепляют жесткую переборку, на которой устанавливают два одинаковых исследуемых объекта, при этом один объект устанавливают на штатных виброизоляторах, а другой – на исследуемой многомассовой системе виброизоляции, включающей в себя виброизоляторы и упругодемпфирующую промежуточную плиту.

Ударный испытательный стенд // 2664968

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к стендам для испытания изделий на виброударные воздействия. Устройство содержит фундамент, на котором размещено устройство формирования ударного импульса, поддон, закрепленный на копре с возможностью перемещения и соударения с устройством формирования ударного импульса. Дополнительно введено приспособление, состоящее из основания и крышки, на которой установлен объект испытаний, соединенных между собой крепежными элементами со стороны верхнего торца крышки. При этом между каждым крепежным элементом и верхним торцом крышки установлен по крайней мере один упругий элемент для поджатия крышки к основанию, которое жестко соединено с поддоном при помощи крепежных элементов. Технический результат заключается в обеспечении возможности воспроизведения на объекте испытаний многократного синусоидального ударного импульса положительной полярности (без перехода в отрицательную область ударного ускорения), одинаковой амплитуды и длительности за одно нагружение устройства (один опыт) с заданными параметрами при нагружениях устройства на испытательном ударном стенде. 5 ил.

Стенд для исследования ударных нагрузок систем виброизоляции // 2665322

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Это достигается тем, что в стенде для исследования систем виброизоляции, содержащем основание, на котором расположены дополнительные плиты с закрепленными на них виброизолируемыми аппаратами и регистрирующая аппаратура, на основании установлена аппаратура летательных аппаратов, например два одинаковых бортовых компрессора для получения сжатого воздуха на борту летательного аппарата, при этом один компрессор установлен на штатных резиновых виброизоляторах, а другой компрессор установлен на исследуемой двухмассовой системе виброизоляции, включающей в себя резиновые виброизоляторы и упругодемпфирующую промежуточную плиту с виброизоляторами, например, в виде пластин из полиуретана, которые, так же как и штатные резиновые виброизоляторы компрессора, установлены на жесткой переборке, которая через вибродемпфирующую прокладку установлена на основании, а на жесткой переборке, между компрессорами, закреплен вибродатчик, сигнал с которого поступает на усилитель и регистрирующую аппаратуру, например октавный спектрометр, работающий в полосе частот (Гц): 2; 4; 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000, а затем сравнивают полученные амплитудно-частотные характеристики от работы каждого из компрессоров и делают выводы об эффективности виброизоляции каждой системы, на которой они установлены. На основание, на котором через вибродемпфирующую прокладку установлена жесткая переборка с установленными на ней датчиком и бортовыми компрессорами, дополнительно установлен датчик для измерения амплитудно-частотных характеристик основания, сигнал с которого поступает на усилитель и спектрометр. Основание, на котором через вибродемпфирующую прокладку установлена жесткая переборка, соединено со стержневой пространственной системой виброизоляции, включающей в себя упругие платформы: верхнюю и нижнюю, между которыми шарнирно закреплены стержневые упругие элементы, позволяющие контролировать все шесть координат перемещения бортовых компрессоров при ударных и вибрационных нагрузках. Технический результат: расширение технологических возможностей испытаний объектов, имеющих несколько упругих связей с корпусными деталями летательного объекта. 5 ил.