Особенности поведения резервуаров со сжиженным природным газом (СПГ) в очаге пожара

Введение. Проведено обоснование важности исследований поведения резервуаров с СПГ в очаге пожара. Отмечен наиболее опасный режим разрушения таких резервуаров — BLEVE (boiling liquid expanding vapor explosion — взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости). Актуальность статьи обусловлена необходимостью анали­­за явления BLEVE с целью его предотвращения и снижения последствий. Целью работы является изложение основ феноменологии этого явления и анализ современных исследований в указанном направлении, включая анализ имевших место инцидентов. При этом основное внимание уделяется сжиженному природному газу.

Общие закономерности возникновения и протекания BLEVE. На основе анализа p–V и p–T диаграмм (p — давление; V — объем; T — температура) рассмотрена феноменология явления BLEVE. Отмечено наличие предельной температуры перегрева жидкой фазы, выше которой ее кипение происходит в режиме гомогенной нуклеации с дальнейшим возникновением BLEVE.

Краткий анализ аварий с возникновением BLEVE на резервуарах СПГ. Рассмотрены имевшие место наиболее крупные аварии с взрывом резервуаров СПГ в очаге пожара. В их числе проанализированы инциденты в г. Тивисса (Испания, 2002 г.), г. Зарзалико (Испания, 2011 г.) и провинции Шанси (Китайская народная республика, 2019 г.) на автоцистернах для перевозки СПГ. Отмечено, что размеры зон поражения опасными факторами таких аварий (тепловое излучение огненных шаров, давление в ударной волне, разлетающиеся фрагменты резервуаров) могут достигать величин 100–200 м.

Экспериментальные и теоретические исследования явления BLEVE и образующихся при этом огненных шаров. Проанализированы исследования, в которых изучены параметры огненного шара (диаметр, длительность существования, высота подъема, интенсивность теплового излучения) на резервуарах СПГ объ­емом до 5 м3. Отмечено также крупномасштабное исследование параметров огненного шара, образующегося в результате истечения СПГ из трубопровода и сгорания образующегося переобогащенного облака.

Выводы. Основные закономерности аварий на резервуарах СПГ, протекающих в режиме BLEVE с образованием огненных шаров, во многом аналогичны имеющим место в случае резервуаров со сжиженными углеводородными газами (СУГ), но при этом поверхностная плотность теплового потока огненного шара СПГ (около 500 кВт/м2) существенно выше, чем для СУГ.

1. Маршал В. Основные опасности химических производств. М. : Мир, 1989. 671 с.

2. Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. Взрывные явления: оценка и последствия. М. : Мир, 1986. Т. 1, 2.

3. Шевчук А.П., Симонов О.А., Шебеко Ю.Н., Фахрисламов Р.З. Закономерности протекания аварий на резер­вуарах со сжиженными углеводородными газами с образованием огненных шаров // Химическая промышленность. 1991. № 6. С. 338–340.

4. Planas-Cuchi E., Gassula N., Ventosa A., Casal J. Explosion of a road tanker containing liquefied natural gas // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2004. Vol. 17. Pp. 315–321. DOI: 10.1016/j.jlp.2004.05.005

5. Planas E., Pastor E., Casal J., Bonilla J.M. Analysis of the boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE) of a liquefied natural gas road tanker: The Zarzalico accident // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2015. Vol. 34. Pp. 127–138. DOI: 10.1016/j.jlp.2015.01.026

6. Wang K., Quin X., He Y., Shi T., Zhang X. Failure analysis integrated with prediction model for LNG transport trailer and thermal hazards induced by an accidental VCE: A case study // Engineering Failure Analysis. 2020. Vol. 108. P. 104350. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.104350

7. McDevitt C.A., Chan C.K., Steward F.R., Tennankore K.N. Initiation step of boiling liquid expanding vapor explosions // Journal of Hazardous Materials. 1990. Vol. 25. Issue 1–3. Pp. 169–180.

8. Abbasi T., Abbasi S.A. The boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE): Mechanism, consequences assessment, management // Journal of Hazardous Materials. 2007. Vol. 141. Issue 3. Pp. 489–519. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2006.09.056

9. Шебеко Ю.Н. Критерий возможности возникновения взрыва резервуара с перегретой жидкостью // Хими­ческая промышленность. 1994. № 5. С. 302–305.

10. Frost D.L. Dynamics of explosive boiling of a droplet // Physics of Fluids. 1988. Vol. 31. Issue 9. Pp. 2554–2561. DOI: 10.1063/1.866608

11. Frost D., Sturtevant B. Effects of ambient pressure on the instability of a liquid boiling explosively at the superheat limit // Journal of Heat Transfer. 1986. Vol. 108. Issue 2. Pp. 418–424.

12. Shepherd J.E., Sturtevant B. Rapid evaporation at the superheat limit // Journal of Fluid Mechanics. 1982. Vol. 121. Pp. 379–402.

13. Shebeko Yu.N., Shebeko A.Yu. On the mechanism of a BLEVE occurrence due to fire engulfment of tanks with overheated liquids // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2015. Vol. 36. Pp. 167–170. DOI: 10.1016/j.jlp.2015.06.006

14. Jingde Li, Hong Hao. Numerical simulation of medium to large scale bleve and the prediction of BLEVE’s blast wave in obstructed environment // Process Safety and Environmental Protection. 2021. Vol. 145. Pp. 94–109.

15. Li Q., Wang Y., Li L., Hao H., Wang R., Li J. Prediction of BLEVE loads on structures using machine learning and CFD // Process Safety and Environmental Protection. 2023. Vol. 171. Pp. 914–925.

16. Birk A.M., Eyssette R., Heymes F. Early moments of Bleve: From vessel opening to liquid flashing release // Process Safety and Environmental Protection. 2019. Vol. 132. Pp. 35–46. DOI: 10.1016/j.psep.2019.09.028

17. Hemmatian B., Casal J., Planas E. A new procedure to estimate BLEVE overpressure // Process Safety and Environmental Protection. 2017. Vol. 111. Pp. 320–325. DOI: 10.1016/j.psep.2017.07.016

18. Hemmatian B., Planas E., Casal J. Comparative analysis of BLEVE mechanical energy and overpressure modelling // Process Safety and Environmental Protection. 2017. Vol. 106. Issue 3. Pp. 138–149. DOI: 10.1016/j.psep.2017.01.007

19. Ustolin F., Tolias I.C., Giannissi S.G., Venetsanos A.G., Paltrinieri N. A CFD analysis of liquefied gas vessel explosions // Process Safety and Environmental Protection. 2022. Vol. 159. Pp. 61–75. DOI: 10.1016/j.psep.2021.12.048

20. Bariha N., Mishra I.M., Srivastava V.C. Fire and explosion hazard analysis during surface transport of liquefied petroleum gas (LPG): A case study of LPG truck tanker accident in Kannur, Kerala, India // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2016. Vol. 40. Pp. 449–460. DOI: 10.1016/j.jlp.2016.01.020

21. Kohout A., Jain P., Dick W. Review, identification and analysis of local impact of projectile hazard in the LNG industry: A LNG storage tanks case study // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 57. Pp. 304–319. DOI: 10.1016/j.jlp.2018.07.018

22. Hemmatian B., Casal J., Planas E., Rashtchian D. BLEVE: The case of water and a historical survey // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 57. Pp. 231–238. DOI: 10.1016/j.jlp.2018.12.001

23. Wang Y., Gu X., Xia L., Pan Y., Ni Y., Wang S., Zhou W. Hazard analysis on LPG fireball of road tanker BLEVE based on CFD simulation // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2020. Vol. 68. Issue 3. P. 104919. DOI: 10.1016/j.jlp.2020.104319

24. Birk A.M., Eyssette R., Heymes F. Analysis of BLEVE overpressure using spherical shock theory // Process Safety and Environmental Protection. 2020. Vol. 134. Pp. 108–120. DOI: 10.1016/j.psep.2019.11.023

25. Zhang Q.-X., Liang D. Thermal radiation and impact assessment of the LNG BLEVE fireball // Procedia Engineering. 2013. Vol. 52. Pp. 602–606. DOI: 10.1016/j.proeng.2013.02.192

26. Methods for the calculation of physical effects (“Yellow Book”). CPR 14E (parts 1 and 2). The Hague, Committee for the Prevention of Disasters. 3rd Ed. 1997.

27. Betteridge S., Phillips L. Large scale pressurized LNG BLEVE experiments // Symposium series No. 160. Hazards 25. Shell, 2015.

28. Roberts A.F. Thermal radiation hazards from releases of LPG from pressurised storage // Fire Safety Journal. 1982. Vol. 4. Pp. 197–212. DOI: 10.1016/0379-7112(81)90018-7

29. Hasegava K., Saito K. Study on the fireball following steam of n-pentane // Proceedings of the Second International Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries. Heidelberg, 1977. Pp. 297–304.

30. Roberts A.F. The effect of conditions prior to loss of containment of fireball behavior // International Chemical Engineering Symposium. Series No. 71. Oxford, Pergamon Press, 1982.

31. Birk A.M., Andersson R.J., Coppens A.J. A computer simulation of a derailment accident: Part I: Model basis // Journal of Hazardous Materials. 1990. Vol. 25. Issue 1–2. Pp. 121–147.

32. Wang K., Lui Z., Qian X., Huang P. Long-term consequence and vulnerability assessment of thermal radiation hazard from LNG explosive fireball in open space based on full-scale experiment and PHAST // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2017. Vol. 46. Pp. 13–22. DOI: 10.1016/j.jlp.2017.01.001

33. Wang K., He Y., Lui Z., Qian X. Experimental study on optimization models for evaluation of fireball characteristics and thermal hazards induced by LNG vapor cloud explosions based on colorimetric thermometry // Journal of Hazardous Materials. 2019. Vol. 366. Pp. 282–292. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2018.10.087

34. Raj P.K. LNG fires: A review of experimental results, models and hazard prediction challenges // Journal of Hazardous Materials. 2007. Vol. 140. Issue 3. Pp. 444–464. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2006.10.029

35. Zalosh R. Blast waves and fireballs generated by hydrogen fuel tank rupture during fire exposure // Proceedings of the 5th International Seminar on Fire and Explosion Hazards. Edinburgh, 2008. Pp. 149–158.

36. Cirrone D., Makarov D., Molkov V. Rethinking “BLEVE explosion” after liquid hydrogen storage tank rupture in a fire // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48. Issue 23. Pp. 8716–8730. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.09.114

37. Hansen O.R. Liquid hydrogen releases show dense gas behavior // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45. Pp. 1343–1358. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.09.060

38. Ustolin F., Paltrinieri N., Landucci G. An innovative and comprehensive approach for the consequence analysis of liquid hydrogen vessel explosions // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2020. Vol. 68. P. 104323. DOI: 10.1016/j.jlp.2020.104323

39. Pehr K. Aspects of safety and acceptance of LH2 tank systems in passenger cars // International Journal of Hydrogen Energy. 1996. Vol. 21. Issue 5. Pp. 387–395. DOI: 10.1016/0360-3199(95)00092-5

40. Wingerden K., Kluge M., Habib A.K., Ustolin F., Paltriniery N. Medium-scale tests to investigate the possibility and effects of BLEVEs of storage vessels containing liquefied hydrogen // Chemical Engineering Transactions. 2022. Vol. 90. Pp. 547–552. DOI: 10.3303/CET2290092