Уровень 6 страница

Возможны три сценария развития аварии сосуда с перегретой жидкостью.

В случае полного разрушения сосуда теоретическое время испарения t_исп несложно вычислить, принимая, что пары без перемешивания с воздухом

образуют полусферическое облако радиусом К_полусф и мгновенно

образующийся пар перемещается от поверхности жидкости до края облака со скоростью звука в паре a_пар. Объем облака представляет собой сумму

объемов парового выброса V и объема неиспарившейся жидкости У_ж.

Радиус полусферы несложно найти, исходя из элементарных геометрических соотношений

V = V_nap + У_ж = 3 KRl_myc4); 11_полусф = 0,78V (4.11)

Теоретическое время испарения равно

0,783/(V - V_0K)
t _исп = ----- —. (4.12)

^а пар

При взрыве сосуда с перегретой жидкостью 40% энергии взрыва переходит в энергию осколков, а 60% - в энергию ударной волны. В этом случае формула (4.2) принимает вид

E

^ттнт = — ^{, (4.13)}

^QvTHT

и, используя формулы (4.8) и (4.9), можно определить поражающее действие генерируемой при взрыве сосуда с перегретой жидкостью ударной волны.

В случае перегретой горючей жидкости облако пара может вос­пламениться с образованием огненного шара.

При нарушении герметичности сосуда выше уровня жидкости (трещины, коррозия, усталость, механические повреждения и т.п.) даже в случае небольшого отверстия истечение пара будет продолжаться до тех пор, пока не испарится вся жидкость. Снижение давления, зависящее от скорости истечения пара (размеров отверстия), приведет к снижению температуры жидкости в сосуде. Скорость истечения, зависящая от диаметра отверстия, давления и температуры жидкости в сосуде, может быть определена по стандартным методикам (см. подразд. 4.3). В ряде случаев из отверстия в сосуде будет выходить парожидкостная смесь. В этом случае расчет скорости истечения проводится по формулам гидродинамики двухфазных систем.

Если в сосуде находилась перегретая горючая жидкость, то в случае воспламенения струи образуется струевое пламя или образующееся облако пара может воспламенится с образованием огненного шара.

Если в сосуде находилась негорючая токсичная жидкость, то образующееся облако дрейфует в соответствии с метеорологическими условиями. Сценарии развития таких аварий рассмотрены в подразд. 4.3.

При пробое сосуда ниже уровня жидкости можно ожидать появления однофазной струи, мгновенное испарение которой происходит вне сосуда. Из-за мгновенного испарения скорость вытекающей струи будет ниже скорости однофазного потока, но выше, чем в случае пробоя выше уровня жидкости в сосуде.

При наличии в сосуде жидкости категории III сценарий развития аварии, как и в предыдущем случае, будет зависеть от вида и места нарушения герметичности сосуда. При полном разрушении сосуда и его пробое выше уровня жидкости сценарии развития аварий будут идентичны описанным выше. При пробое ниже уровня жидкости сценарий развития аварии будет зависеть от летучести жидкости. Поскольку жидкости, относящиеся к категории III, имеют близкие точки кипения, то их поведение будет зависеть от температуры самой жидкости и окружающей среды. Сценарий аварии с разлитием жидкости будет рассмотрен ниже.

Жидкости категории IV, содержащиеся при температуре выше их точки кипения при атмосферном давлении, являются, по сути дела, сжиженными парами и будут мгновенно испаряться в случае их разлития. Однако в случае низких температур окружающей среды может иметь место частичная конденсация выброшенного пара.

Взрывы парогазовоздушных смесей. Образующееся при различных техногенных авариях парогазовоздушное облако при наличии источника зажигания может воспламениться, причем в зависимости от размеров облака, свойств смеси, параметров подстилающей поверхности и т. п. может иметь место как дефлаграционное (скорость распространения пламени ниже скорости звука), так и детонационное (скорость распространения пламени выше скорости звука) горение. Классификация парогазовоздушных смесей по степени чувствительности приведена в табл. 4.2.

Класс Вещество b 1. Особо чувствительные вещества Ацетилен 1,10   Винилацетилен 1,03   Водород 2,73

Таблица 4.2 - Классификация парогазовоздушных смесей по коэффициенту чувствительности b

Скорость взрывного превращения в значительной степени зависит от параметров подстилающей поверхности, которая классифицируется в соответствии со степенью загроможденности.

Класс	Вещество	b
	Гидразин	0,44
	Изопропилнитрат	0,41
	Метилацетилен	1,05
	Нитрометан	0,25
	Оксид пропилена	-
	Оксид этилена	0,62
	Этилнитрат	0,30
2. Чувствительные вещества	Акрилнитрил	-
	Акролеин	0,62
	Бутан	1,04
	Бутилен	1,00
	Бутадиен	1,00
	1,3-пентадиен	1,00
	Пропан	1,05
	Пропилен	1,04
	Сероуглерод	0,32
	Этан	1,08
	Этилен	1,07
	Оксид пропилена	0,70
	Эфиры:
	диметиловый	0,66
	дивиниловый	0,77
	метил-бутиловый	-
	диэтиловый	0,77
	диизопропиловый	0,83
3. Средне чувствительные вещества	Ацетальдегид	0,56
	Ацетон	0,65
	Бензин	1,00
	Винилацетат	0,51
	Винилхлорид	0,42
	Гексан	1,00
	Изооктан	1,00
	Металамин	0,70
	Пиридин	0,77
	Сероводород	0,34
	Спирты:
	метиловый	0,52
	этиловый	0,62
	пропиловый	0,69
	изобутиловый	0,79
	Циклогексан	1,00
	Кумол	0,84
	Печной газ	0,09
	Циклопропан	1,00
	Этиламин	0,80
4. Слабочувствительные вещества	Аммиак	0,42
	Бензол	0,88
	Декан	1,00
	Дизельное топливо	1,00
	Дихлорбензол	0,42

Класс Вещество b   Бензолдодекан 1,00   Керосин 1,00   Метан 1,14   Метилбензол 1,00   Метил меркаптан 0,53   Нафталин 0,91   Оксид углерода 0,23   Дихлорэтан 0,25   Трихлорэтан 0,14

Примечание. Если в табл. 4.2 вещество и информация о его свойствах отсутствуют, его следует относить к классу 1.

Вид 1. Наличие длинных труб, полостей, каверн, заполненных горючей смесью.

Вид 2. Сильно загроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов, высокая плотность размещения оборудования, лес, большое количество повторяющихся препятствий.

Вид 3. Среднезагроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк.

Вид 4. Слабо загроможденное пространство.

В зависимости от класса смеси и вида пространства можно ожидать следующие диапазоны скорости взрывного превращения (табл. 4.3).

Приведенные в табл. 4.3 диапазоны скорости взрывного превращения соответствуют следующим значениям:

1) детонация или горение со скоростью фронта пламени более 500 м/с;

2) детонация, скорость фронта пламени 300...500 м/с;

3) дефлаграция, скорость фронта пламени 200...300 м/с;

4) дефлаграция, скорость фронта пламени 150...2500 м/с;

5) дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соотношением

w_(p = 43M G^/6; (4.14)

6) дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соотношением

wp = 26M G⁶, (4.15)

где М_G - масса горючего газа, содержащегося в облаке, кг.

Образующееся парогазовоздушное облако может быть гетерогенным (более 50% топлива содержится в виде капель) и газовым (в виде капель содержится менее 50% топлива). К гетерогенным облакам можно отнести облака веществ с низким давлением насыщенного пара, к газовым - облака летучих веществ.

Расчет параметров образующейся ударной волны производится с использованием безразмерного радиуса

R = R

/ \ -1/3

(4.16)

10E

V ^P0 J

Класс Вид окружающего пространства смеси

Таблица 4.3 - Экспертная таблица для определения ожидаемого диапазона скорости взрывного превращения

где E - эффективный соотношениям:

энергозапас горючей смеси, определяемый по

E

--М _т QP ^при с _г< с _стх,

E

^{при с}_г > ^{с .}

(4.17)

^с г

Значения низшей теплоты сгорания топлива QP, МДж/кг, и концентрации газа в смеси стехиометрического состава с_стх,% об., берутся из справочных данных (прил. III). Для перевода концентрации из объемных

3 3

долей в единицы [кг/м ] используется соотношение c [кг/м ]=0,01 c [% об.] р_г.

Если определение концентрации газа в смеси вызывает затруднение, в качестве величины с_г можно принять значение нижнего концентрационного предела воспламенения горючего газа. В случае затруднений с определением QP, теплоту сгорания топлива можно определить по упрощенному

соотношению QP =44 b, МДж/кг, где значение b заимствуется из табл. 4.2.

При расчете параметров взрыва облака, лежащего на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается.

В случае детонации газового облака расчет безразмерного давления P * и безразмерного импульса I * ударной волны производится по формулам:

ln(p*)= 1,124- 1,66lnR* + 0,26lnR*²,R* >0,2; (4.18)

ln(l*)= 3,4217 - 0,898lnR* + 0,0096lnR*²,R* > 0,2; (4.19)

Формулы (4.18) и (4.19) справедливы для значений R* < 0,2. В противном случае принимается, что P * = 18, а в формулу (4.19) подставляется значение R = 0,142.

0,125 0,137 0,023 + + ....;

В случае детонации гетерогенного облака расчет производится по следующим формулам:

P * =

0,125 0,137 0,023

R *

R *2 R *3 0,022

I * =

(4.20)

(4.21)

Формулы (4.20) и (4.21) справедливы для значений R >0,25, в

облаков расчет ударной волны

противном случае величина P = 18, а величина I = 0,16. В случае дефлаграции газового и гетерогенного

_**

s-1У 0,83 0,14

безразмерного давления P₂ и безразмерного импульса I₂ производится по формулам:

(4.22)

P* = P2 =

a

s

R *2 у

с_w л²

A R *

_I^* ₌

¹ 2 =

^w0

a

S-1

1 - 0,4

s-1

^w0

a

V R

Г 0,06 0,01

R

+ ——

*2

*3

R

0,0025

(4.23)

Выражения (4.22) и (4.23) справедливы для значений R* > R_Kp = 0,34. В

_*

противном случае в последние формулы вместо R следует подставлять R_Kp. Далее по формулам (4.18) и (4.19) или (4.20) и (4.21) вычисляют

_{* * * *}

значения P₁ и I₁ и окончательные значения P и I выбираются из условия

P * = min (p₁*, p₂*); I * = min (i*, i*). (4.24)

Размерные величины избыточного давления на фронте ударной волны APjj, кПа, и импульса фазы сжатия I +, кПа-с, определяем по соотношениям

I⁺ =

^{P P}0 ^,

100i * (0,1p₀)^2/3 E¹³

(4.25) (4.26)

a

Зная Ap^ и

P

пор

I⁺ по формулам, приведенным в гл. 2, несложно найти

для разной

значения пробит-функции Pr и поражающего фактора

степени поражения человека, зданий и сооружений.

Образование и разлет осколков. При повышении давления в сосуде со сжатым газом или перегретой жидкостью, постороннем механическом воздействии в стенке сосуда возникают напряжения, которые при достижении определенной величины могут привести к разрушению сосуда. Величина напряжения в стенке сосуда сферической формы радиусом r и толщиной 8 определяется по формуле s = A Pr/28. Если величина напряжения превышает

значение временного сопротивления R_un материала стенки, имеет место разрушение последней. Это происходит при давлении

AP

28R

(4.27)

r

Образующиеся при взрыве сосуда осколки имеют среднюю начальную скорость разлета, м/с, равную

^w0

об

2 E_0CK M

M

г

(4.28)

где E_0CK - энергия взрыва, идущая на образование и разлет осколков, кДж/кг;

М_г и М_об - массы газа и оболочки сосуда соответственно, кг.

E0CK = (0,4...0,6) Qv + \ °, (4.7а)

P + Po 1

(0,4...0,6) Q_v +-

_ Р

где Q_v - энергия взрыва газа, Дж/кг;

р_г - плотность газа при давлении P₁, кг/м.

Образовавшиеся осколки разлетаются со скоростью, м/с, определяемой по формуле Г.И.Покровского

w = w₀ exp

(4.29)

где g = — отношение плотностей материала оболочки и воздуха;

^Р воз

R - радиус разлета осколков, м;

R *~2w_0y[Wfg R* - максимальный радиус, в котором разлетаются

осколки, м (r < R *);

H - высота центра взрыва, м;

g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с;

loc = V doc + hoc - характерный размер осколка, имеющего форму цилиндра диаметром d_oc и длиной h_oc, м.

При разрушении цилиндрического резервуара образуется поле осколков разного размера, но для приближенных расчетов можно принять, что все осколки имеют цилиндрическую форму с длиной h_oc, равной толщине

оболочки сосуда 8 _oc, и диаметром d_oc, м, равным

doc = ^г^⁶-, (4.30)

^w0V ^Ey ^р об

где т_об - радиус оболочки сосуда, м;

а_об - предельное динамическое сопротивление разрушению;

E_y - модуль упругости;

р_об - плотность материала оболочки сосуда. Масса одного осколка, кг, равна:

^moc = ^0,25р об^pd2c^hoc ^{, (4.31)}

а количество образующихся осколков равно

n = Mо_б/. (4.32)

Зная массу и скорость осколка, его поражающие свойства можно определить по формулам, приведенным в подразд. 2.5.

Разлетающиеся осколки оболочек взрывчатых веществ (устройств), сосудов со сжатыми и горючими газами наряду с образующейся ударной волной являются основными причинами возникновения вторичных эффектов. К ним относятся обрушение зданий и сооружений, детонация взрывоопасных веществ, поражение оборудования осколками, воспламенение пожароопасных веществ и материалов, объединяемые общим термином "эффект домино". Размеры зон возникновения вторичных эффектов определяются границами зон поражения соответствующих поражающих факторов (см. гл. 2).

Взрыв парогазовоздушного облака в ограниченном пространстве. При анализе сценариев аварий с технологической аппаратурой, содержащей горючие газы и жидкости, но находящейся в ограниченном пространстве, принимают, что все содержимое аппаратов поступает в помещение и одновременно происходит утечка вещества из подводящего и отводящего трубопроводов в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов.

Приведем значения расчетного времени отключения трубопроводов, с: Вероятность отказов менее 10^-6 год^-1 или обеспечено

резервирование ее элементов не более 120

Вероятность отказов более 10^-6 год^-1 или не обеспечено
резервирование ее элементов 120

Ручное отключение 300

Масса газа m_r, кг, поступившего в окружающее пространство при аварии аппарата, равна

mr=(Va + Vt)р г, (4.33)

где V_a - объем газа, вышедшего из аппарата, м³;

V_T - объем газа, вышедшего из трубопровода, м³.

Va = 0,01ВД,

где P₁ - давление в аппарате, кПа; V₁ - вместимость аппарата, м³.

где V_T1 - объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м;

V_T2 - объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м.

Vt1 = Qt,

где Q - расход газа, определяемый в соответствии с технологическим

регламентом, в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температуры газа и других условий, м³/с; t - время, с,

= 0,01pP2 Li,

где P₂ - максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа;

r_i - внутренний радиус i -го участка трубопровода, м;

L_i - длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

При аварии аппарата с жидкостью часть жидкости может находиться в виде пара, вырывающегося при аварии в окружающее пространство с образованием первичного облака. Оставшаяся жидкость при аварии аппарата

(резервуара) разливается внутри помещения с последующим испарением с зеркала разлива и образованием вторичного облака. Масса пара в первичном облаке, кг, равна:

m„i = ri- ^{11 т 2}, (4.34)

R T _ж

где a - объемная доля оборудования, заполненная газовой фазой; \m - молекулярная масса жидкости, кг/моль;

R - универсальная газовая постоянная газа, равная 8,31 Дж/(К-моль); Т_ж - температура жидкости в аппаратуре, К.

Разлившаяся жидкость с температурой Т_ж < Т_кип испаряется с образованием пара массой т_писп, кг,

_m = WF _т (4 35)

"'п.исп "² исп ^исп ' V^-^-v

где W - интенсивность испарения жидкости, кг/(м -с);

Fjich - площадь испарения, определяемая из расчета, что 1 л смесей и ра­створов, содержащих по массе 70% и менее растворителей, разливается по

2 2

площади 0,5 м, а 1 л остальных жидкостей - на 1 м пола помещения;

т_исп - время испарения разлившейся жидкости, с, равное либо времени

полного испарения (т _исп = m _ж/ (WF_ucn)), либо ограничиваемое временем 3600

с, в течение которых должны быть приняты меры по устранению аварии.

Интенсивность испарения разлившейся жидкости в помещении W, кг/(м -с), в рассматриваемом случае определяется по формуле

W = 10"⁶ Ц^^Рпас, (4.36)

где Ц - коэффициент, зависящий от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения (табл. 4.4). Давление насыщенного пара Р_нас, кПа, при данной температуре находят по уравнению Антуана или по справочной литературе.

Избыточное давление взрыва АРф, кПа, для индивидуальных горючих

веществ, состоящих из атомов С, Н, О, Cl, Br, F, определяют по формуле

= (^p_1M^x - ^Р0 W, (4.37)

ев г Г н стх

где Р_тах - максимальное давление взрыва стехиометрической газойли

паровоздушной смеси в замкнутом объеме, определяемой по справочным данным (при отсутствии данных допускается принимать равным 900 кПа);

Р₀ - давление окружающей среды, принимаемое равным 101,3 кПа;

m - масса горючего газа или паров ЛВЖ в помещении, кг;

Z - коэффициент участия горючего во взрыве, принимаемый равным 1 для водорода, 0,5 - для других горючих газов, 0,3 - для паров ЛВЖ и ГЖ, 0,5 -для горючих пылей; V_ce - свободный объем помещения, м³ (можно принять

равным 80% помещения);

о_Г - плотность газа или пара при расчетной температуре, кг/м³;

K_H - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатность процессов горения, принимаемый равным 3;

c_cmx - стехиометрическая концентрация горючего, % об., вычисляемая

по формуле

c _стх = 100/ (1 + 4,84Ь), где b = n_C + 0,25(п_я - n_X) - 0,5n_O - стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения (n_C, n_H, n_O, n_X - число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего).

Таблица 4.4 - Значения коэффициента Г|

Скорость	Температура в помещении t, °С
воздушного
потока, м/с
	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
0,1	3,0	2,6	2,4	1,8	1,6
0,2	4,6	3,8	3,5	2,4	2,3
0,5	6,6	5,7	5,4	3,6	3,2
1,0	10,0	8,7	7,7	5,6	4,6

Определяемая по формуле (4.37) величина избыточного давления взрыва является определяющей при категорировании помещений по взрывопожарной и пожарной опасности (прил. IV). На основании категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности в соответствии со СНиП 2.09.02 -85 и СНиП 2.01.02-85 принимаются проектные решения, направлен­ные на ограничение пожаров и взрывов.

4.2. Чрезвычайные ситуации, вызванные пожарами

В подразд. 4.1 были рассмотрены случаи нарушения герметичности резервуара, содержащего горючий газ или жидкость, сопровождающиеся разливом жидкости с ее последующим испарением, выбросом парожидкостной смеси, газа и т. п. Дальнейший сценарий развития аварии будет зависеть от физико-химических свойств пролитой жидкости, метеорологических условий, окружения места аварии, наличия источника зажигания и т.д. Зависимость характеристик пожара от температуры кипения вещества показана на рис. 4.2. Из рисунка следует, что давление паров, зависящее от температуры кипения вещества, во многом предопределяет виды пожара, которые обозначены на рисунке как "Горение разлития", "Вспышка" и " Огненный шар". Пламя, возникающее при загорании струи горючего газа (жидкости), образующейся при разрушении трубопровода, отличается от названных выше. Поскольку все обозначенные выше виды пожаров в неограниченном пространстве имеют свою специфику, рассмотрим их раздельно.

Пожар разлития. При нарушении герметичности сосуда, содержащего сжиженный горючий газ или жидкость, жидкость (или ее часть) может заполнить поддон или обваловку, растечься по поверхности грунта или заполнить какую-либо естественную впадину.

Глубину заполнения поддона или обваловки h, м, можно найти по формуле

^h = ^тж1^(ож^Fnod ^{), (4.38)}

где т_ж - масса разлившейся жидкости;

0_ж - плотность разлившейся жидкости; F_nod - площадь поддона.

При авариях в системах, не имеющих защитных ограждений, происходит растекание жидкости по грунту и (или) заполнение естественных впадин. Обычно при растекании на грунт площадь разлива ограничена естественными и искусственно созданными границами (дороги, дренажные канавы и т.п.), а если такая информация отсутствует, то для приближенных расчетов принимают толщину разлившегося слоя равной h =0,05 м и определяют площадь разлива, м², по формуле

F_pa3 = m/ (hp _ж), (4.39)

По результатам экспериментов с жидким метаном и азотом компания "Газ де Франс" предлагает следующие значения h (табл. 4.5).

При заполнении естественной впадины, имеющей форму сферического сегмента, глубину разлитого слоя жидкости h можно найти из выражения