Experience in the application of models of oil reservoirs in experimental studies.
Аннотация: В статье приведен анализ применения моделей нефтяных резервуаров для выполнения экспериментальных исследований. Как результат, сформулирована блок-схема классификации моделей нефтяных резервуаров. Поставлена задача на разработку модели резервуара типа «стакан в стакане» для проведения огневых испытаний.
Ключевые слова: резервуар с защитной стенкоймодельрезервуарнефть.
Современным направлением по обеспечению пожарной безопасности нефтяных резервуаров, является применение защитной стенки. Резервуар с защитной стенкой получил название как резервуар по типу «стакан в стакане» (РВСЗС). Однако не изучено поведение защитной стенки резервуара при пожаре в основном резервуаре и при пожаре в соседнем резервуаре [1].
Основой изучения этих процессов будет численный и физический эксперимент. Для проведения численного эксперимента необходимо знать исходные параметры модели резервуара, начальную температуру элементов резервуара, количественные значения теплового излучения и температуру пламени пожара. Эти показатели можно получить выполним физический эксперимент. Проведение физического эксперимента на крупномасштабном объекте сопряжено с большими экономическими затратами. В качестве альтернативы можно применить метод физического моделирования. Для его проведения необходимо разработать экспериментальную модель нефтяного резервуара.
Большой вклад в моделирование нефтяных резервуаров внес Дмитриев Н.Н. [2]. Им рассмотрен вопрос о выборе модели резервуара в зависимости от существующих методов моделирования, при проведении исследований на прочность конструкции. Им подтвержден главный постулат проектирования и изготовления моделей резервуаров вертикальных цилиндрических стальных (РВС) это точность изготовления деталей модели и самой модели в целом.
В указанной работе определено, что геометрические параметры моделей РВС зависят от габаритных размеров натурных РВС, которые определяются из решения критериальных уравнений. В результате их решения получены численные значения параметров модели РВС с плавающей крышей (РВСПК) вместимостью 50000 м3. Характеристики модели даны в табл. 1.
п/п | Наименование | Размерность |
1 | высота оболочки корпуса | 75,7 см |
2 | радиус срединной поверхности | 72,78 см |
3 | толщина стенки нижнего пояса | 0,19 см |
4 | толщина стенки нижнего пояса | 2,6 см |
На кафедре пожарной безопасности технологических процессов (ПБТП) Академии ГПС МЧС России проведен цикл работ, связанных с изучением параметров защитных преград, ограничивающих разлив жидкости при квазимгновенном разрушении резервуара. В ходе своей научно-исследовательской работы [3] доктором наук С.А. Швырковым была разработана модель нефтяного резервуара РВС-2000 м3. При её создании обеспечено геометрическое подобие модели и натуры резервуара, соблюдая постоянное отношение между линейными размерами всех величин. Масштаб моделирования принят равным 1:30. При этом параметры модельного резервуара составили: dр = 0,5 м, высота hр = 0,4 м, объем vр = 0,079 м3 [3].
В работе [4] обосновывается модель нефтяного резервуара РВС-1000 м3. Масштаб моделирования был принят равным 1:50. При этом параметры модельного резервуара составили: dр = 0,21 м, высота hр = 0,26 м, объем vр = 0,009 м3.
В работе [5] моделируется процесс удержания волны прорыва защитной стенкой, установленной на различных расстояниях от основного резервуара. Прототипом модели является РВС-700 м3 типа «стакан в стакане». С учетом соблюдения критериев подобия и условий моделирования гидравлических явлений параметры модели составили: диаметр и высота основного резервуара – 0,35 м и 0,3 м соответственно и диаметр и высота защитной стенки от 0,45 до 0,55 м. В качестве защитных стенок используются стальные цилиндрические обечайки, разного диаметра, позволяющего устанавливать их на разном расстоянии от основного резервуара [5].
Профессор кафедры ПБТП Назаров В.П. [6] изучал распределение концентраций паров легковоспламеняющихся жидкостей в паровоздушном пространстве резервуара, а также ряд схожих научных задач. Для этого были изготовлены четыре экспериментальные модели резервуара РВС – 5000 м3. Всем моделям присвоен классификатор от ЭР-1 до ЭР-4. Их геометрические параметры представлены в табл. 2.
Таблица 2. Геометрические параметры экспериментальных резервуаров.
Геометрические размеры | ЭР-1 | ЭР-2 | ЭР-3 | ЭР-4 |
Диаметр, м | 0,228 | 0,360 | 0,650 | 2,28 |
Площадь испарения, м2 | - | - | - | 4,07 |
Высота, м | 0,119 | 0,198 | 0,360 | 1,19 |
Площадь днища, м2 | 4,07∙20-2 | 0,102 | 0,332 | - |
Объем, м3 | 5∙10-3 | 22,4∙10-3 | 125∙10-3 | 5 |
Площадь приточного отверстия, м2 | 2,82∙10-5 | 7,85∙10-5 | 28,9∙10-5 | |
Масштаб экспериментального резервуара | 1:100 | 1:60 | 1:35 | 1:10 |
В работе [7] установлено, что с увеличением диаметра горящей поверхности в резервуаре, происходит изменение режима горения от ламинарного к турбулентному, и механизма теплопередачи от пламени к жидкости, от теплопроводности к излучению. При этом в лучистой теплопередаче пламя может быть оптически тонким или толстым. На площади малого размера (диаметр примерно до 10 см) режим горения ламинарный, теплопередача от пламени к поверхности жидкости происходит, в основном, теплопроводностью, скорость выгорания быстро уменьшается с увеличением площади. На площади диаметром от 10 до 100 см режим горения переходный, теплопередача от пламени к жидкости происходит излучением и конвекцией.
При обобщении экспериментов, проведенных на резервуарах с диаметрами до 23 м установлено, что высота факела пожара Hф растет с увеличением диаметра резервуара, а их относительная высота пламени - Hф/D неизменна [7].
Профессором кафедры ПБТП Сучковым Виктором Петровичем проведена работа [8] в области изучения теплового и концентрационного режимов в резервуаре при воздействии на него падающего излучения. В рамках работы выполнено моделирование теплового воздействия на корпус резервуара от факела горящего нефтепродукта в соседнем резервуаре. Для решения задачи им разработан лабораторный стенд. Он состоял из двух резервуаров, геометрически подобных РВС-5000 м3 (в масштабе 1:35). Габаритные размеры резервуаров: диаметр резервуара 0,65 м, высота 0,36 м [8].
Для подтверждения результатов исследования, полученных при проведении экспериментов на лабораторных установках, были проведены крупномасштабные полигонные испытания в Тюменской области. Экспериментальная база состояла из 2-х полигонных РВС со следующими параметрами: диаметр - 3,15 м, высота стенки - 1,25 м.
Проведённый нами анализ указанных работ позволил классифицировать модели резервуаров на несколько самостоятельных блоков, в зависимости от общего направления научно-исследовательских работ. Результаты классификаций представлены на рис. 1 в виде структурно-логической схемы.
Области моделирования нефтяных резервуаров
Экспериментальные исследования по изучению пожарной опасности и обоснованию способов обеспечения пожарной безопасности нефтяных резервуаров Экспериментальные исследования, направленные на изучение параметров конструкций резервуаров, используемые при их строительстве
Тепловой режим резервуара при нормальных условиях эксплуатации и условиях пожара Исследование закономерностей распределения концентрационных полей в объеме резервуара и снаружи Исследование параметров защитных противопожарных преград в резервуарных парках
Из блок-схемы видно, что применение моделей нефтяных резервуаров при постановке экспериментальных исследований является общепризнанной и востребованной практикой, применяющейся в различных научных отраслях, в том числе и в области научных исследований по пожарной безопасности.
При проектировании параметров модели нефтяного резервуара необходимо соблюдать геометрическое подобие модели её натуре.
Работ, где бы говорилось о проведение огневых испытаний нефтяного резервуара с защитной стенкой типа «стакан в стакане» не выявлено. Приведенная лабораторная модель РВС типа «стакан в стакане» применима для изучения волновых процессов, образующихся при моделировании волны прорыва при разрушении основного резервуара. Однако, для проведения экспериментальной части работы по изучению устойчивости защитной стенки РВСЗС при пожаре, необходимо провести коррекцию диаметра модели резервуара в сторону его увеличения, что будет обосновываться соблюдением критериального подобия, которое позволит говорить о достоверности планируемых огневых экспериментов.