ОАО «СИБУР Холдинг» Москва, 2015 Сравнительный анализ российских и зарубежных методик расчета зон разрушения и оценки риска аварий, применяемых при обосновании взрывоустойчивости зданий и сооружений взрывопожароопасных производственных объектов Номоконов В.П. Управляющий Директор ООО «СИБУР» Лисанов М.В. Директор Центра анализа риска ЗАО НТЦ ПБ

2 Объект исследования – методические документы и компьютерные программы по оценке риска аварий, по методологии моделирования взрыва на опасных производственных объектах и по расчету последствий этих взрывов. Цель работы – сравнительный анализ российских и зарубежных методик и компьютерных программ для расчета зон разрушения и оценки риска аварий, применяемых при обосновании взрывоустойчивости зданий и сооружений взрывопожароопасных производственных объектов. Результаты работы направлены на: актуализацию отечественного законодательства в области промышленной безопасности и на совершенствование методов анализа риска аварий, расчета зон разрушений, оценки сценариев развития аварии, в том числе путем обоснованного использования зарубежных компьютерных программ для практических работ по анализу риска. сокращение необоснованных издержек промышленности при капитальном строительстве, реконструкции и эксплуатации опасных производственных объектов. Объект и цель исследования

3 Законодательные требования по определению зон разрушений Требования об учете риска взрыва и взрывных нагрузок при проектировании и эксплуатации ОПО представлены в ст. 11, 16, 30 Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», Федерального закона «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» и ряде нормативных документов. В п и п.10.4 ФНП «Общие правила взрывобезопасности…» (ФНП ОПВБ) содержатся требования об устойчивости к ударной волне зданий, в которых расположены помещения управления (операторные), средства обеспечения функционирования систем контроля, управления (контроллерные), анализаторных помещений (зданий), а также административных и непроизводственных зданий, в которых предусмотрено постоянное пребывание людей. В приложении 3 ФНП ОПВПБ изложена методика «тротилового» эквивалента для расчета максимальных зон поражения, основанная на совокупности исходных данных, требования к которым также изложены в ФНП ОПВПБ (в приложении 2)

4 В России последствия аварий и расчет зон действия взрыва рекомендуется оценивать с помощью нормативных методических документов, утвержденных или согласованных Ростехнадзором, МЧС России На практике эта оценка проводится с помощью ПК ТОКСИ+Risk (разработчик ЗАО НТЦ ПБ). Однако его применение официально не легализовано Ростехнадзором За рубежом существует ряд программных продуктов, позволяющих оценивать последствия аварийных выбросов и взрывов опасных веществ - PHAST (разработчик DNV), FRED (Shell), EFFECTS (TNO) и др. Для решения задач с распространением выбросов опасных веществ в условиях реальной застройки территории, наличием препятствий, ограничений рассеяния облака, геометрии окружающего пространства, учета легкосбрасываемых конструкций (ЛСК) применяются специальные математические методы, основанные на численном решении систем дифференциальных уравнений в частных производных (так называемые CFD-методы - Computational fluid dynamics ), используемых в ПК FLACS (разработчик GEXCON). Характеристики методов приведены на последующих слайдах Анализ возможности применения российских и зарубежных методик

5 Сравнение требований по обоснованию взрывоустойчивости зданий Подход, основанный на критериях максимальной зоны разрушения, приводит к необходимости увеличения размеров производственной площадки, протяженности трубопроводов, коммуникаций, а также к необоснованным затратам, особенно для объектов, содержащих сжиженные углеводородные газы (СУГ). Действующие ФНП ОПВБ (приложения 3) допускают применение методов количественной оценки риска взрыва, общепринятой в зарубежной практике при обосновании устойчивости зданий и размещения установок ОПО. Однако в п.2 приложения 3 ФНП ОПВБ содержатся лишь общие положения и соотношения. В России отсутствует механизм сертификации иностранных программных продуктов и методик по оценке риска аварий, хотя при обосновании проектных решений нередко применяются зарубежные компьютерные комплексы, в том числе в области промышленной безопасности. Наиболее авторитетными являются PHAST-SAFETI (разработчик DNV) и FLACS (Gexcon), но их применение должно удовлетворять п.10.5 ФНП ОПВБ (сравнение с фактами аварий, экспериментов, сертификация и т.п.) Российские требования Российские требования (Ростехнадзор, МЧС России, Минстрой РФ) Зарубежные требования ( Зарубежные требования (подход API 752 к расчету безопасных расстояний): 1. Оценка последствий максимально вероятных событий (maximum credible events). Расстояния между установками на объекте рассчитываются при наиболее вероятной аварии (диаметр дефектного отверстия мм/1 дюйм). Этот подход не применяется для обоснования расстояний от ОПО до населенных пунктов, разработки внешних планов по предупреждению ЧС. 2. Количественный анализ риска взрыва и критерии приемлемого риска разрушения зданий, сооружений (соответствует общему подходу, изложенному в п.2. приложения 3 ФНП ОПВБ).

6 Методические подходы к оценке зон поражения Тротиловый эквивалент (ТЭ) – мера энерговыделения высокоэнергетических событий, выраженная в количестве тринитротолуола (ТНТ), выделяющем при взрыве равное количество энергии. Формулы получены в результате обработки данных по бомбардировке Лондона во время второй мировой войны. Недостатки ТЭ: не учитывает особенности рассеяния (дрейфа) – облако имеет сложную форму, не всегда аппроксимируемую зарядом ТНТ, не учитывает особенности взрыва газового облака, который при авариях как правило происходит в деглафграционном режиме (давление – менее 1-2 бар) и редко - в детонационном режиме (уровень давления в облаке бар), (что в более чем в 5000 раз меньше в случае взрыва конденсированного взрывчатого вещества по методике ТНТ); зоны разрушения, рассчитанные по ТЭ, могут превышать реальные размеры зон разрушения по данным экспериментов и более точным расчетам в 1,5-3 раза (при одинаковых условиях выброса и массы ОВ, без учета дрейфа) «Тротиловый эквивалент» (ТЭ)Методики оценки последствий взрыва газовых облаков (ТВС) 1. Метод TNO Multi-Energy Method (BST) и др. (PHAST), РД , РД (ТОКСИ+): основаны на интегральных моделях, учитывающих реальные процессы рассеяния и взрыва ТВС (топливно-воздушных смесей). Учитывают явления рассеяния облаков ТВС. Не применимы для замкнутых/полузамкнутых помещений («внутреннего взрыва»). 2. Модели вычислительной гидродинамики (CFD - модели), в т.ч. модель рассеяния и взрыва ПК FLACS : основаны на численном решении уравнений гидрогазодинамики и процессов горения и наиболее точно учитывает явления рассеяния и воспламенения облаков ТВС; Применимы для замкнутых/полузамкнутых помещений и сильно загроможденных пространств. Недостаток – длительность расчета, использование большого объема исходных данных и 3-D моделей. Основаны на теоретических и экспериментальных натурных исследованиях газовых взрывов Математические модели постоянно актуализируются и уточняются. Широкое применение получили компьютерные приложения на основе этих моделей.

Предложения по результатам проведенной работы 1. Актуализировать ФНП ОПВБ в части методологии анализа риска взрыва для обоснования взрывоустойчивости зданий и сооружений ОПО: учета частот реализации аварийных ситуаций (в приложении 3) вероятностных критериев взрывоустойчивости зданий и сооружений; ограничения применения методики тротилового эквивалента (ограничить конденсированными веществами – химически нестабильными соединениями); расширения возможности применения апробированных методик и программных продуктов на их основе (в рамках разработки руководств по безопасности, учитывающих специфику ОПО). уточнения времени испарения разлившегося вещества для формирования облака ТВС (формула 15 приложения 2); 2. Разработать руководство по безопасности «Методические рекомендации по применению программно реализованных методов вычислительной гидродинамики для обоснования взрывобезопасности ОПО», позволяющее применять компьютерные программы CFD-моделирования (например, FLACS). Кроме того, необходима дальнейшая детальная проработка вопросов по сертификации иностранных методик и программных продуктов на их основе,- во исполнение требований п.10.5 ФНП ОПВБ. 7

Расчет последствий выброса и рассеяния опасных веществ при аварии в программном комплексе ТОКСИ+RISK 8 Программный комплекс ТОКСИ+ (и его версия ТОКСИ+Risk для оценки риска), разработанный ЗАО НТЦ ПБ, успешно используют более 250 крупных российских и зарубежных организаций нефте-газового профиля и организаций, специализирующихся в области анализа риска. Имеет сертификат соответствия в системе ГОСТ Р РОСС RU.СП22.Н Включен в фонд алгоритмов, программ и баз данных ГПС МЧС России, ведение которого осуществляет ВНИИПО (свидетельство 108 от ). В ПК ТОКСИ+ запрограммированы действующие российские методики Ростехнадзора и МЧС России для расчета последствий аварий и оценки показателей риска (в т.ч. и пожарного с возможностью расчета времени эвакуации и т.д.). ПК ТОКСИ+Risk: инструмент работы с массивами метеостатистики (слева) и управляющая оболочка в режиме построения поля риска (справа)

9 Сопоставление размеров зон токсического воздействия, рассчитанных по ТОКСИ-3, и последствий аварии с выбросом аммиака (г. Потчефструм, ЮАР) Сравнение с авариями: последствия аварии с выбросом аммиака (г. Потчефструм, ЮАР) Подробнее в ж. «Безопасность труда промышленности» и на сайте Сравнение с экспериментами и ПК

Расчет последствий выброса и рассеяния опасных веществ при аварии в программном комплексе PHAST 7.0 Программный комплекс PHAST и его версия для оценки риска SAFETI (PHAST RISK), разработанный международной фирмой Det Norske Veritas (DNV), широко используются в мире в течение более чем 20 лет для количественной оценки риска в нефтегазовой и химической промышленности. Методики и программное DNV обеспечение разработаны на основе передового мирового опыта в области моделирования и оценки последствий различных аварийных ситуаций. 10 Рисунок – ПК DNV PHAST. Окно ввода параметров расчета (слева) и нанесение зон поражения на план опасного производственного объекта (справа)

Программный комплекс FLACS (Flame Acceleration Simulator) Моделирование геометрии утечки; 2. Анализ частоты утечки; 3. Моделирование рассеяния газа; 4. Моделирование зажигания газо-воздушной смеси; 5. Симуляция взрыва; 6. Вероятностный анализ взрыва. * - на примере выброса газа 1. Моделирование геометрии утечки; 2. Анализ частоты утечки; 3. Моделирование рассеяния газа; 4. Моделирование зажигания газо-воздушной смеси; 5. Симуляция взрыва; 6. Вероятностный анализ взрыва. * - на примере выброса газа

Проведение расчетов последствий типовых сценариев аварий (1) Задача 1. Продолжительное истечение СУГ Рисунок- Расчетные зоны концентраций (НКПР и НКПР/2) по ПК PHAST (а), ПК ТОКСИ + (б), ПК FLACS (в) для класса устойчивости атмосферы 5D ПК PHAST DNV ПК ТОКСИ+ ПК FLACSМетодика МЧС 2F5D2F5D2F5D НКПР, м ,5 0,5 НКПР, м сценарий моделирования – продолжительное истечение через отверстие 20 мм 5 т сжиженного пропана, ситуация моделирующая выброс ШФЛУ на продуктопроводах 12

Задача 2. Моделирование рассеяния облака ХЛОРА Сценарий –мгновенное разрушение ёмкости, содержащей 100 кг хлора ТОКСИ+RiskFLACS По ветру, м Против ветра, м По ветру, м Против ветра, м Зона порогового поражения Макс. полуширина Вероятность поражения 1% Вероятность поражения 10% Вероятность поражения 50%477226,5 Вероятность поражения 90% Вероятность поражения 99%427125,5 ТОКСИ+RiskPHAST h=0/(h=1 m) По ветру, м Против ветра, м По ветру Против ветра Зона порогового поражения (1,6)5(1,4) Макс. полуширина (зона порог.) 26-17(1,5)20(0) Вероятность поражения 1% (203)20(7) Вероятность поражения 10% (150)17(7) Вероятность поражения 50% (108)114 (5) Вероятность поражения 90% (8)11 (3) Вероятность поражения 99% (5)8 (2) Таблица - Размеры зон поражения на момент времени 25 с. (слева) и за все время распространения выброса (справа) Рисунок - Зона поражения пороговой токсодозой за 25 с после выброса (ПК FLACS) Рисунок – Распределение токсодоз за 25 с после выброса (ПК ТОКСИ+Risk) Рисунок - Зоны поражения на высоте 1 м от земли (ПК PHAST), 25 с 13 Проведение расчетов последствий типовых сценариев аварий (2)

Задача 4. Моделирование рассеивания облака ПРОПАНА. Определение зон НКПР сценарий моделирования – полное мгновенное разрушение ёмкости, содержащей 50 кг пропана PHASTТОКСИ+RiskFLACS Методика МЧС Радиус зоны НКПР, м ,5 Высота зоны НКПР, м 0,70,70,620,8 Время исчезновения зоны НКПР, с Максимальная взрывоопасная масса пропана, кг Рисунок - Графики зависимости взрывоопасной массы (кг) от времени Рисунок - Изолинии концентрации (ПК PHAST, ПК ТОКСИ+Risk, ПК FLACS) 14 Проведение расчетов последствий типовых сценариев аварий (4)

P, к Па Экспери- мент r эксп, м FLACS r FLACS, м ПК ТОКСИ (РД ) r РД , м u max /u ср PHAST TNT/BST ,63/-95/ ,68/-108/ /-128/ /51,5218/350 Задача 3. Моделирование дефлаграционного сгорания облака ВОДОРОДА Сценарий – сгорание полусферического облака стехиометрического состава. Масса водорода – 52,3 кг. Рисунок – Картина горения облака водорода (эксперимент в начале 80-х годов) Рисунок - Изменение избыточного давления на фронте ударной волны от взрыва водородовоздушной смеси Расчеты по методике «тротилового эквивалента» (ТЭ) показывают превышение давления в по сравнению с экспериментом и расчетом по РД более чем в 10 раз (верхние точки) => Консервативность результатов по ПК ТОКСИ и PHAST PHASTFLACS 15 Проведение расчетов последствий типовых сценариев аварий (3) ТЭ по ОПВБ ТОКСИ(РД ) эксперимент

Задача 5. Моделирование детонационного сгорания облака ВОДОРОДА сценарий– детонация сферического облака стехиометрического состава. Масса водорода – 0,37 кг Изменение (от расстояния) избыточного давления во фронте ударной волны (FLACS) Зависимость давления от расстояния для наземного и воздушного взрыва (ПК PHAST ) График зависимости избыточного давления от расстояния (ПК ТОКСИ+Risk) Значение параметра в ТОКСИ+Risk Значение параметра в PHAST Значение параметра в FLACS Значения избыточного давления на различных расстояниях, к Па r, мP, к Паr, мP, к Паr, мP, к Па ПК FLACS не реализует переход горения в детонацию при рассматриваемых условиях Проведение расчетов последствий типовых сценариев аварий (5) 16

Задача 8. Взрыв облаков пропана. Моделирование по методикам тротилового эквивалента (ТЭ) и РД Рисунок - Ситуационный план сценария аварии со взрывом ТВС (масса 8351 кг пропана) при полном разрушении емкости V-601A-R – результат расчета по РД (ПК ТОКСИ) Рисунок - Ситуационный план сценария аварии со взрывом ТВС (масса 8351 кг пропана) при полном разрушении емкости V-601A-R – результат расчета по ПБ (ПК ТОКСИ) Повреждения Радиусы рассчитанных зон поражения (разрушения), мΔ, %Обозначение на рис. РД ПБ Сильные повреждения всех зданий (Р ф > 100 к Па)н/д 132- Среднее повреждение зданий с массовыми обвалами (Р ф = 70 к Па) Среднее повреждение промзданий – (Р ф = 28 к Па) Разрушение оконных проемов – (Р ф = 14 к Па) Частичное разрушение остекления, нижний порог повреждений человека волной давления (Р ф = 5 к Па) сценарий моделирования - полное разрушение емкости объемом 200 м 3 установки подготовки газа, содержащей пропан-бутановую фракцию (ПБФ) массой 86 т Согласно расчету по ТЭ объект располагается в зоне средних повреждений (более 28 к Па), для обеспечения взрывоустойчивости которого необходимо его удаление на большее расстояние или дополнительное повышение прочности конструкций. Согласно расчетам по РД все объекты находятся в зоне слабых разрушений (менее 14 к Па) и соответствуют требованиям взрывоустойчивости зданий. Проведение расчетов последствий типовых сценариев аварий (8) 17

Задача 9. Моделирование взрыва облака ТВС в загроможденном помещении с легкосбрасываемыми конструкциями (ЛСК) Сценарии – взрыв облака ТВС в помещении с различными ЛСК Конфигурация (модель) модуля FLACS СТО РД «Газпром» Место воспламенения Значение изб.давления Pmax, бар. Угол раскрытия ЛСК (или площадь панели) 0,9 100%70% , Значение изб. давления Pmax при различных сценариях моделирования (ПК FLACS) Рисунок - Распределение давления при взрыве облака ТВС при различных сценариях моделирования (ПК FLACS) => Влияние загроможденности и расположения источника зажигания на значения избыточного давления. Проведение расчетов последствий типовых сценариев аварий (9) 18

Моделирование аварии с взрывом на газофракционирующей установке (секция С-400) установки ЛК-6Ус ОАО «АНПЗ ВНК») В работе Название презентации, мероприятие, дата 19

Сравнительный анализ результатов расчетов зон воздействия по зарубежным и российским методикам и компьютерным программам Проведенный анализ показывает приемлемую сходимость результатов, полученных в программном комплексе ТОКСИ+Risk и в программном комплексе PHAST. Расхождение в полученных результатах не превышает 20-30%. Также близкие значения дает моделирование с помощью комплекса FLACS. Существенное отличие комплекс FLACS показал при моделировании взрыва облака водорода, где результаты полученные с его помощью в несколько раз менее консервативны, чем при моделировании по ПК ТОКСИ+Risk и PHAST. Моделирование размеров зоны загазованности по методике МЧС также возможно, однако эта методика не учитывает дрейф газовоздушных облаков по ветру. На размеры зон поражения при выбросе и взрыве облаков ТВС существенное влияние оказывают исходные данные. Наиболее значимыми параметрами являются: свойства опасных веществ и условия их содержания в оборудовании, диаметр дефектного отверстия характеристика окружающего пространства, метеоусловия, учет систем противоаварийной защиты 20

Выводы по применению методик и компьютерных программ Программные комплексы Токси+Risk, PHAST, FLACS предназначены для решения задач по количественному анализу риска аварийных выбросов опасных веществ и имеют схожие возможности для расчета основных физических эффектов, связанных с барическим и токсическим поражением людей при авариях. Наиболее точная математическая модель, описывающая распространение и взрывы облаков - программный комплекс FLACS. «+» учет особенностей геометрии окружающего пространства; «+» учет расположения источников зажигания (позволяет моделировать взрывы многокомпонентных смесей углеводородных газов); «-» необходимость временных ресурсов для проведения расчета; «-» необходимость высокой квалификации специалистов, проводящих расчет; В большинстве случаев программный комплекс FLACS дает наименее консервативные результаты для оценки зон поражения от барического воздействия. Методика тротилового эквивалента «-» наиболее консервативная из всех рассматриваемых методик ; «-» не учитывает физические процессы протекающие при взрывах облаков, в т.ч. дрейф облаков ТВС в условиях ветра. Методика МЧС «-» аналогично не позволяет учесть дрейф, что ограничивает область ее применения выбросами веществ в условиях безветрия. 21

Общие выводы Проведение расчетов по всем методикам показало, что на размеры зон поражения при выбросе и взрыве облаков ТВС существенное влияние оказывает выбор исходных данных. Наиболее значимыми параметрами являются: свойства опасных веществ и условия их содержания в оборудовании, диаметр дефектного отверстия характеристика окружающего пространства, метеоусловия, учет систем противоаварийной защиты. При оценке риска определяющим фактором является выбор вероятностных характеристик аварийного процесса (частота аварийной разгерметизации, условная вероятность образования дефектного отверстия/трещины, воспламенения, срабатывания противоаварийной защиты и успешных действий по локализации аварийной ситуации). 2. Применение методик, основанных на «тротиловом эквиваленте» оценки последствий взрыва ТВС, дают наиболее консервативные расстояния зон разрушения (без учета дрейфа облака ТВС). 3. Различие в величине расстояний в зависимости от условий могут отличаться в 2-10 раз по сравнению с экспериментами и расчетами, выполненными по методикам РД /РД (ТОКСИ+), BST (PHAST) и вычислительной гидродинамики комплекса FLACS. 4. Для проведения анализа риска для современных нефтегазоперерабатывающих ОПО, на которых возможна реализация большого числа сценариев аварии можно равно рекомендовать использование как отечественного комплекса Токси+Risk, так и программного комплекса PHAST, которые дают вполне адекватную консервативную оценку последствий распространения и взрыва облаков ТВС. 5. В то же время для наиболее сложных сценариев аварии, когда необходима наиболее точная оценка зон распространения поражающих факторов с учетом геометрии окружающего пространства и обоснования минимальных безопасных расстояний в стесненных условиях строительства следует использовать программные комплексы реализующие модели вычислительной гидродинамики, в частности программный комплекс FLACS.

Спасибо за внимание!