Процесс развития ударной волны при аварии на объектах газотранспортной системы

Первая фаза практически каждой аварии на объектах газотранспортной системы связана со значительными разрушениями оборудования, работающего под высоким давлением. Результатом этого является образование воздушной ударной волны. Цели исследования данных явлений, чаще всего, сводились к изучению барического воздействия воздушной волны сжатия на отдалении от источника разгерметизации систем высокого давления. В условиях же достаточно компактного расположения объектов, наиболее важно изучить воздействие воздушной ударной волны в зонах, расположенных ближе к источнику разгерметизации.

В момент разгерметизации оборудования движение газа происходит в зависимости от распада контактного разрыва «газ-воздух». При этом газ расширяется по адиабате Пуассона, а воздух сжимается по адиабате Гюгонио. При этом показатели газа (число Маха и давление в газе после разрыва) будут зависеть от показателей адиабат, плотности невозмущенного воздуха, начальных значений давления и плотности воздуха и газа.

В идеале, постановка задачи о происхождении ударной волны при истечении газа схоже с построением задачи о сильном точечном взрыве, рассмотренной Седовым Л.И. Он построил модель процесса, полагаясь на теорию размерности, учитывая при этом начальную плотность воздуха и энергию взрыва. Главным отличием нашего случая является определение в качестве основного параметра не энергии взрыва, а мощности от истекающего газа. В этом случае давление во фронте ударной волны будет зависеть от значений времени начала процесса, скорости и радиуса фронта.

Необходимо также проанализировать характер течения газа. Следует предположить, что ударная волна и облако газа имеют полусферическую форму. При этом основная масса сжатого воздуха сосредоточена позади, в виде узкой полосы. Скорость движения воздуха в слое, в этом случае, будет равна его скорости во фронте, а давление не меняется, и равно давлению в облаке (через контакт «воздух-облако»). Истечение газа будет происходить при постоянной энтропии с одинаковыми значениями давления, скорости и плотности. Исходящий газ в этом случае будет вовлечен в поток благодаря влиянию на него волны разгрузки с конкретной скоростью звука. В случае протяженной длины сосуда цилиндрической формы можно говорить о том, что разрежение не действует на весь объем газа в трубе. В противном случае в процесс вовлечен весь объем газа.

Применение модели, основанной на построении задачи о точечном взрыве, ограничено зоной, в которой можно не учитывать противодействие атмосферного давления. При удалении от источника разгерметизации давление во фронте воздушной ударной волны постепенно снижается, вплоть до значения атмосферного давления. Процессы, происходящие при распространении волны, подверглись исследованию в условиях взрывов твердых веществ и водородных газов. Результатом данных исследований являются построенные аппроксимирующие зависимости избыточного давления от расстояния для воздушной волны.

Уровень воздействия воздушной ударной волны и воздушной волны сжатия можно рассмотреть на примере некоторых рассчитанных показателей при разрыве газопровода диаметром 1,4 м и давлением 15 МПа при нормальном атмосферном давлении. Например, при значении давления волны в 0,002 МПа и расстоянии от источника в 346 метров происходит разрушение оконного стекла площадью 0,5 квадратных метров. А при давлении более 0,5 МПа и расстоянии менее 5,5 метров полностью разрушается газопровод в наземном исполнении.