Оценка площади растекания нефтепродуктов по твердым подстилающим поверхностям

Заключение
Разливы, утечки нефти и нефтепродуктов, как показывает практика, неизбежны при их добыче, переработке и транспортировке. Особую опасность представляют аварии на нефтепроводах. В отличии от локально расположенных предприятий, на них практически невозможно предусмотреть меры по защите окружающей среды на всей их протяженности, достигающей многие тысячи километров.
Нефть попадая в почву и грунты, вызывает необратимые изменения, связанные с их битуминизацией, гудронизацией, цементацией, загрязнением и т. д. В результате нарушения почвенного покрова и растительности усиливаются нежелательные процессы; эрозия почв, деградация, криогенез [8]. Происходит изменение фильтрационных и физико - механических свойств грунтов.
Нефтяное загрязнение, обусловленное аварией, отличается от многих ...

Содержание

Введение 2
1 Последствия аварий с выходом нефти 4
1.1 Растекание нефтепродуктов по твердой подстилающей поверхности 9
2 Программа Mathcad для решения инженерных задач 13
2.1 Техническое задание на расчет 15
2.2 Расчет растекания нефтепродуктов по твердой подстилающей поверхности в программе Mathcad 16
Заключение 18
Список использованной литературы 20

Введение
По данным Федерального горного и промышленного надзора России в 2000 г. при авариях на трубопроводном транспорте погибло 7 человек. Основными причинами аварий явились: коррозия - 18%; брак строительных и монтажных работ - 14%: внешние механические воздействия, в том числе несанкционированные врезки в целях хищения - 15%.
С понижением температуры окружающей среды вязкость застывшей нефти увеличивается, что приводит к уменьшению производительности технических средств. Вязкая нефть при отсутствии волнения скапливается на заплесках сплошным сло¬ем, а при волнении отлагается в виде вальков или комов. При понижении уровня воды вязкая и застывшая нефть не уходит вместе с водой, а остается на берегу слоем до нескольких санти-метров.
Не застывшая нефть с температурой вспышки до 60°С может об-разовываться в результате утечки бензина, керосина, топлива для реактивных двигателей, арктического и зимнего дизельных топлив и сырой нефти. Такое состояние нефти непродолжительно, через 5—6 часов в результате испарения легких фракций темпе¬ратура вспышки превысит 60°С.
По условиям пожарной безопасности сбор нефти с температу¬рой вспышки паров ниже 60°С не производится. Это связано с высоким риском возгорания при контакте с открытым источником огня. Зоны загрязне¬ния локализуют и выдерживают до тех пор, пока температура вспышки не станет выше 60°С, т.е. нефть перейдет в такое со¬стояние, при котором ее сбор будет менее пожароопасным [1, 2].
Температура вспышки представляет собой наименьшую температуру горючего вещества, при которой пары над поверхностью горючего вещества способны вспыхивать при контакте с открытым источником огня. Жидкости с низкой температурой вспышки в пределах ниже 61°С представляют собой легко воспламеняющиеся.
Застывшая нефть с температурой вспышки ниже 60°С может появиться в результате утечки высокопарафинистой сырой нефти с температурой застывания выше температуры окружающей сре¬ды. Такая нефть испаряется незначительно, процесс выделения легких фракций и повышение температуры вспышки паров про¬исходит медленно, что не позволяет применить выдержку. Сбор подобной нефти производят по специальной технологии при обес¬печении пожарной безопасности.
В итоге можно отметить, что светлые нефтепродукты незна¬чительно загрязняют берег и их сбор предпочтительнее произво¬дить с воды. Темные нефтепродукты и сырая нефть в большей степени загрязняют берег, сбор их производится как с воды, так и с берега. Стоимость ликвидации разлива по твердой поверхности значительно выше, нежели сбор темных нефтепродуктов и сырой нефти с водной поверхности.

Сбор нефти и нефтепродуктов является сложным комплексным мероприятием. Разумеется, для различных видов аварий используются разные методы [1].Сорбент представляет собой вещество, соединение, сорбирующее нефть с поверхности объекта загрязнения, которым может быть как поверхность воды, так и твердой поверхности.В качестве вспомогательных средств, которые могут задержать распространение нефти, используют природные и искусственные сорбенты: торф, полимерные материалы, песок. Поверхностный слой снимается скреперами, землеройными машинами и транспортируется в емкости с водой, где происходит сепарация: грунт опускается на дно, а сорбент, насыщенный нефтепродуктами, всплывает. Сорбент собирается с помощью устройств сетчатой конструкции и ловушек, после чего используется как топливо или подвергаетсярегенерации при помощи отжимного устройства. Регенерированный сорбент можно использовать повторно с эффективностью 94% от первоначальной. Регенерацию можно осуществлять 8 раз и более без существенной потери эффективности [1, 2].В случае, когда нефтью или нефтепродуктами загрязнена каменистая поверхность, сорбент наносится на нее механическим способом. Грунт разбрасывается, и смесь сорбента и нефти смывается напором воды в специально открытые каналы или на водную поверхность, где собирается так же, как описано в предыдущих примерах.Растекание нефтепродуктов по твердой подстилающей поверхностиПри разработке схем и планов хранения нефтепродуктов необходимо решить ряд задач:рассчитать время полного истечения жидкости из емкости через аварийное отверстие, учесть параметры процесса растекания нефтепродуктов по твердым подстилающим поверхностям в реальных метеоусловиях, определить массу испарившегося продукта, оценить поражающее действие факторов пожара на различные материалы и человека при возгорании растекающегося или хранящегося нефтепродукта. Особо важный пункт среди остальных задач - методы расчета изменения во времени массы и объема испаряющихся нефтепродуктов как в помещениях, так и в реальных метеоусловиях открытой атмосферы.Из основ гидродинамики [3] известно, что время понижения уровня жидкости в сосуде произвольного профиля от значения высоты над аварийным отверстием Н1 до значения Н2 определяется уравнением (общий случай):t=H1H2∫fhdhQ-μ*s*√(2*g*h), (1.1)где fh - функция изменения площади свободной поверхности резервуара с высотой; h - текущее значение высоты зеркала жидкости над центром аварийного отверстия; Q - приток жидкости в резервуар ; - коэффициент расхода или коэффициент сопротивления истечению нефтепродукта; s - площадь отверстия или пробоины, приведенная к круглому сечению.При Q = 0, то есть в условиях отсутствия внешнего притока, время изменения уровня жидкости от уровня H1 до уровня H2 определится зависимостью:t=2*Fμ*s*2*gH1-H2 (1.2)Определим время полного истечения жидкости из резервуара. В этом случае, H2=0, а расчет зависит от высоты H1 зеркала нефтепродукта над пробоиной до середины сечения аварийного отверстия: t=2*F*H1μ*s*2*g=2*F*H1μ*s*2*g*H1, (1.3)где Н1 – начальное значение расстояния по вертикали от поверхности жидкости до середины сечения пробоины;F - площадь зеркала жидкости (площадь резервуара). В таблице 1 представлены значения коэффициентов сопротивления истечению нефтепродуктов в зависимости от кинематической вязкости жидкости при истечении через круглое (или приведенное к круговому сечению) отверстие.Таблица 1 Зависимость значений коэффициента расхода от вязкости.Кинематический коэффициент вязкости, Ст0.01-0.10.20.40.60.81.02.0Коэффициент расхода 0.610.510.410.360.330.30.26Площадь растекания жидкости по поверхности при авариях аппаратов или трубопроводов зависит от ряда факторов и параметров, таких как количество излившейся жидкости, ее вязкости, температуры, интенсивности истечения, высоты падения струи, вида подстилающей поверхности, уклона местности. Данный список внешних факторов неполон, что говорит о сложности и комплексности технологического процесса, в результате определить параметры растекающегося пятна представляется довольно сложной задачей.Существует ряд исследований, на основании которых составлены и апробированы методики определения параметров растекания нефтяного пятна по твердой поверхности. Донецкая пожарно-техническая станция исследовала радиус растекания горючих жидкостей различной вязкости (дизельное топливо, бензин, автол) по поверхности полированного стекла. В зависимости от кинематического коэффициента вязкости и времени растекания t получены зависимости для небольших объемов:при разовом истечении жидкости объемом V: (1.4)при непрерывном истечении с объемным расходом Q: (1.5)В формулах (1.4), (1.5) приняты обозначения: V - объем выхода на поверхность нефтепродукта, м3; R - радиус нефтяного пятна на момент времени t после аварии, м; t - время растекания нефтяного пятна, с; КП - коэффициент поверхности растекания; - коэффициент кинематической вязкости нефтепродукта, Ст.Для учета характеристик поверхностей (смачиваемость, шероховатость, поглощаемость) введен коэффициент состояния поверхности Кп, определяющий соотношение фактического радиуса растекания по реальной поверхности и радиуса растекания по идеальной поверхности.Приняв для идеальной поверхности Кп = 1.0, экспериментально нашли: для метлахской плитки Кп = 0.9, для грунта Кп = 0.9, для железобетонной плиты Кп = 1.1, для асфальта Кп = 1.1, для бетона с вкраплением мраморной крошки Кп = 0.5.При частичном или полном разрушении транспортных средств нефтепродукты растекаются по твердой поверхности как правило в виде лужи. В работах [4], [6] получены эмпирические выражения для оценки радиуса лужи растекания нефтепродуктов, приведенной к круговой форме:при однократном истечении (1.6)при непрерывном истечении (1.7)где Q(t) - объемный расход нефтепродукта через аварийное отверстие, м3/с; - коэффициент кинематической вязкости нефтепродукта, м2/с.; g - ускорение силы тяжести, м/с2.Коэффициенты вида поверхности Kп при разливе некоторых нефтепродуктов для формул (1.6), (1.7) представлены в таблице 2.Таблица 2 Значения коэффициента вида поверхности [7].ЖидкостьГрунтЦементБетонПлиткаАсфальтБензин0.10.40.30.40.1Дизельное топливо0.40.70.60.90.6Нефть0.60.81.00.90.92 Программа Mathcad для решения инженерных задачСистема компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования, которая ориентирована для подготовки интерактивных документов, связанных с вычислением, а также визуальным сопровождением, система Mathcad легка в использовании и может быть применена в различных областях.Изначально данная система была написана Алленом Раздовом, интуитивно понятна и легка в использовании благодаря простому интерфейсу. Основа математических возможностей подмножество системы компьютерной алгебры Maple. В пределах рабочего листа осуществляется весь спектр работ, от решения уравнений до построения графиков.Mathcad используется в сложных проектах для визуализации результатов математического моделирования при использовании распределённых вычислений и традиционных языков программирования. Однако Mathcad легко адаптировалось под крупные инженерные проекты, где большое значение имеет трассируемость и соответствие стандартам.Mathcad достаточно удобно использовать для обучения, вычислений и инженерных расчетов. Открытая архитектура приложения в сочетании с поддержкой технологий .NET и XML позволяют легко интегрировать Mathcad практически в любые ИТ-структуры и инженерные приложения.