№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2010
УДК 551.594.221
© 2010 г. БАЗЕЛЯН Э.М., НЕРСЕСЯН С.В., ТУКТАРОВ А.Ж.
МОЛНИЕЗАЩИТА ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ И ТРАНСПОРТУ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА
Показано, что основная проблема защиты объектов с большими объемами углеводородного топлива связана с опасностью возгорания легких газовых выбросов при контакте с незавершенными искровыми разрядами от внешних обстроек объекта и протечек топлива со скользящими высокотемпературными каналами вдоль поверхности грунта. На основе расчетных физических моделей процесса определены условия возникновения газоразрядных процессов, опасных для объекта. Предложен метод снижения электрического поля до безопасного уровня, на основе которого создана и практически реализована конструкция искробезопасного молниеотвода.
Введение. В статье рассмотрены особенности молниезащиты в присутствии горючего газа и нефтепродуктов. Большие объемы твердого топлива от грозового электричества страдают редко, если возникают аварийные ситуации, то не непосредственно, а при воздействии молнии на газовые выбросы из угольных пластов шахт.
Металлические трубопроводы и резервуары для хранения жидкого или газообразного углеводородного топлива разрядами молнии не повреждаются. Отечественный и международный опыт показывает [1], что стальная стенка толщиной 4 мм или более выдерживает контакт с каналом молнии даже при экстремально большом токе. Не наблюдается ни сквозных прожогов, ни разогрева внутренней поверхности стенки до опасной температуры, способной провоцировать возгорание топлива. По этой причине от защиты резервуаров и трубопроводов высокого давления можно было бы и отказаться. Проблему создают технологические особенности эксплуатации резервуарных парков и топливоналивных эстакад. Резервуары оснащены дыхательными клапанами, выбрасывающими в атмосферу горючие газовые смеси при нормальном технологическом цикле. Такие смеси располагаются непосредственно над дыхательными клапанами; их объем достигает десятков кубометров. Из-за несовершенства уплотнений возможность газовых выбросов характерна и для резервуаров с плавающими крышами. У поверхности земли в ближайшей окрестности объектов могут накапливаться тяжелые газовые фракции, чаще — жидкое топливо.
Известно, что контакт с каналом молнии безусловно поджигает газовые выбросы над резервуаром или протечки топлива у поверхности земли. По этой причине национальный норматив по молниезащите РД-34.21.122-87 [1] обязует защищать от прямых ударов молнии не только (и не столько) сам резервуар, но и взрывоопасную газовую область, предельные размеры которой строго нормируются. Эта вынужденная мера связана с недостаточной надежностью огнепреградителей. Установленные в дыхательных клапанах, они не всегда препятствуют проникновению пламени извне во внутренний объем резервуара.
Опыт эксплуатации показывает, что включение в зону защиты молниеотводов внешних пожароопасных объемов не исключает тяжелых аварий из-за грозового элек-
тричества на предприятиях транспорта и переработки углеводородного топлива. Подтверждением сказанному могут быть, например, известные чрезвычайные происшествия во время грозового сезона 2009 г. Их анализ, опыт наблюдения за грозовой активностью и лабораторные эксперименты показывают [2], что электрическое поле атмосферы в грозовой обстановке возбуждает не только "полноценные" молнии, но и многочисленные незавершенные разряды длиной от сантиметров до метров, стартующие от мест локального усиления электрического поля, например, от вершины или боковой поверхности того же молниеотвода. Невзирая на малое время жизни, газовая температура в таких каналах может подниматься до уровня термической ионизации, что делает их вполне эффективными поджигателями.
С другой стороны, молния далеко не всегда завершает свой путь контактом с молниеотводом. Растекаясь от заземлителя молниеотвода, ток молнии создает в грунте с удельным сопротивлением р сильное электрическое поле Ег = р/ (] — плотность тока). Когда это поле превышает порог ионизации воздуха Е1 ~ 106 В/м, от заземляющих электродов вдоль поверхности земли могут развиваться скользящие высокотемпературные искровые каналы длиной в десятки метров [3]. Фактически речь идет о прорыве молнии к защищаемому объекту, но не традиционно сверху, а в обход молниеотводов, снизу.
Особенности молниезащиты рассматриваемых объектов с большими объемами топлива будут в основном определяться не столько самой молнией, сколько спецификой формирования и параметрами перечисленных газоразрядных явлений.
Механизм образования электрических разрядов от проводящих заземленных конструкций
Электрическое поле грозового облака создает у поверхности земли электрическое поле напряженностью Е0 ~ 10^20 кВ/м, в котором находятся все наземные сооружения. У вершины наиболее высоких из них потенциал атмосферы достигает мегавольт-ного уровня, поскольку в поле, слабо меняющемся по высоте, и0 « Е0к, где к — высота рассматриваемой точки над землей. Например, у вершины Останкинской телебашни в г. Москве (к = 540 м) и0« 10 МВ. Этого достаточно для формирования электрического разряда в виде восходящих молний, которые, стартуя от вершины телебашни, распространяются к грозовому облаку (рис. 1).
Местом первоначального старта газоразрядных процессов, как правило, становится вершина объекта, где электрические заряды, индуктированные полем атмосферы на проводящей поверхности, локально усиливают напряженность вплоть до порога ионизации воздуха Е « 3 • 106 В/м при нормальных атмосферных условиях). Для сосредоточенных объектов высотой к и радиусом г0 < к с хорошей точностью поле у вершины оценивается как [4]
Е(г0 « НЕо/2г0. (1)
Например, для стержневого молниеотвода высотой 10 м с типичным радиусом вершины г0 = 1 см ионизация воздуха начнется при электрическом поле атмосферы Е0 = 6 кВ/м.
В медленно изменяющемся поле грозового облака стартовавший разряд существует в форме нестационарной бесстримерной короны [5], которую характеризуют исклю-
Рис. 1. Статическая фотография восходящей молнии от Останкинской телебашни в г. Москве
12 -
8 -
10-
10
14
18
22
26 и с
10-3г
10-
10
t, мс
Рис. 2. Динамика изменения коронного тока от
вершины молниеотвода высотой 10 м в электриче- Рис. 3. Рост коронного тока в условиях рис. 2 за счет
ском поле грозового облака, линейно нарастающе- усиления электрического поля атмосферы зарядом
го до 20 кВ/м за 25 с формирующейся молнии
2
4
0
чительно слабые токи, а зона ионизации примыкает к поверхности коронирующего электрода и отличается малой протяженностью А/ г0. Компьютерный расчет на рис. 2, выполненный по алгоритму [6], воспроизводит динамику изменения тока такой короны от стержневого объекта высотой 10 м и радиусом 1 см при типичной скорости подъема электрического поля грозового облака АЕ = сСЕ0/^ = 0,8 кВ/(м • с). Корона, стартовавшая примерно через 8 с после начала роста электрического поля в атмосфере, успела увеличить свой ток всего до 13 мкА к моменту времени 25 с, когда созревшее облако обеспечило у земли напряженность Е0 = 20 кВ/м. При столь слабом токе ни зона ионизации, ни внешняя область короны, заполненная ее объемным зарядом, практически не нагреваются, поэтому коронный разряд не в состоянии поджечь даже самые легко воспламеняющиеся газовые смеси.
Формирование горячих плазменных элементов возможно только после перехода разряда в стримерную форму, которую отличает рост тонких шнурованных хорошо ионизованных ветвей [7]. Газовая температура в ветвях по расчетам и прямым измерениям тоже не отличается от температуры окружающего воздуха, однако, их общее основание (так называемый стем) успевает нагреться примерно до 1000 К за время формирования стримерной вспышки -200^500 нс [8]. Горячий стем — это уже источник реальной опасности для облака горючей газовой смеси. Дальнейшее повышение температуры разряда связывается с зарождением лидера. Стартуя в объеме стема, он повышает температуру в своем канале до 5000—6000 К за 1—10 мкс [9].
Теоретический анализ и компьютерное моделирование [10] показали, что критерий перехода разряда у вершины электрода в стримерную форму связан с достижением коронным током критического значения
С = 8 т оц гоЕ2, (2)
где ^ — подвижность наиболее характерного иона. Для объекта с радиусом вершины г0 ~ 1 см величина !сг ~ 3 мА. В поле грозового облака такой ток если и достижим, то только от таких экстремально высоких объектов, как Останкинская телебашня [11], но никак не от типовых промышленных сооружений топливодобывающей отрасли. Тем не менее, опыт эксплуатации определенно указывает на возможность возгорания газовых смесей над резервуарами с топливом в результате их контакта не с молниями, а с незавершенными короткими искровыми каналами. Причина в том, что величина тока нестационарной короны, помимо текущего значения напряженности электрического
поля атмосферы Е0, зависит также от скорости ее роста ЛЕ. Для грубых оценок с погрешностью на уровне значащей цифры справедливо выражение [12]
1(1) « 2пео^цА3Л3/3, (3)
которое правильно передает динамику изменения тока при линейно нарастающем поле атмосферы. Легко убедиться, что в рассмотренном примере перевод тока из микро-в миллиамперный диапазон требует релаксации поля атмосферы на свою значащую величину за время ~10-3 с. Такое возможно, когда причиной изменения поля становится формирование не слишком далекого разряда молнии по пути облако—земля или даже между облаками.
Компьютерный расчет на рис. 3 показывает рост коронного тока от молниеотвода высотой 10 м, когда на поле грозового облака накладывается поле канала молнии, вертикально продвигающейся к земле со скоростью 3 • 105 м/с. Канал транспортирует к земле заряд с погонной плотностью 1 мКл/м (мощная молния). Принято, что молния минует молниеотвод, не приближаясь к нему ближе, чем на 150 м. Тем не менее, ток короны от молниеотвода превысил критическое значение и обеспечил старт реально опасного стримерного разряда. Следует отметить, что аналогичное явление возможно также от многих конструктивных элементов на внешних обстройках рез
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.