Уровень 7 страница

V = ^P0(3R₆ + ^{h 2)}, (4.40)

а текущую величину °Смоченной" поверхности грунта по формуле

S = 2pR_ch, (4.41)

где R_з - радиус "зеркала" жидкости;

R_c - радиус сферического сегмента.

Характер поверхности h-102, м Бетонная 0,3 Водная 1,0 Гравий 5,0 Влажная песчаная 15,0 Сухая песчаная 20,0

Таблица 4.5 - Толщина слоя разлившегося сжиженного газа, h, м

Разлившаяся жидкость испаряется, причем интенсивность испарения зависит от внешнего давления, движения парогазовой фазы над свободной поверхностью жидкости, величины теплового потока, получаемого жидкостью и т.д.

При разлитии жидкости категории I (криогенная жидкость) она находится в равновесии со своими парами при давлении, равном или близком к атмосферному. При подводе тепла в разлившейся жидкости возникает процесс кипения с интенсивностью, пропорциональной скорости подвода тепла.

При разлитии жидкости категории II (Т_кр > Т₀) имеет место явление

"мгновенного испарения" с образованием и с возможным последующим возгоранием или взрывом парового облака.

Поведение жидкостей категории III при разливе зависит от их летучести. Интенсивность парообразования определяется падением давления при разливе, подводом теплоты от " подстилающей" поверхности, интенсивностью радиационно-конвективного теплообмена с атмосферой и т.д. Представление о соотношении влияния этих параметров можно получить на основании рис. 4.3. Влияние типа грунта на интенсивность испарения сжиженного угле­водородного газа показано на рис. 4.4.

	5_______
~ 2		-------- *■

0 10 20 30 40 50 т, мин

Рис. 4.3. - Растекание и испарение сжиженного газа углеводородного состава (R_k =750 м) при истечении из трубопровода с расходом 500 кг/с: 1,2 -

радиационное и конвективное воздействие на зеркало жидкости; 3 -изоэнтальпийное расширение; 4 - тепловой поток из грунта, Вт/м2; 5 -суммарная интенсивность испарения.

Рис. 4.4. - Испарение сжиженного газа углеводородного состава при кипении на поверхности влажных фунтов: 1 - суглинок; 2 - торф; 3 - песок; 4 - грунт, покрытый снегом

Примечательной чертой пожаров разлития является "накрытие" с подветренной стороны. Это накрытие может составлять (25...50)% диаметра обвалования

D = 2r = J4F_pa3/p.

Пламя пожара разлития при расчете представляют в виде наклоненного по направлению ветра цилиндра конечного размера (рис. 4.5), причем угол наклона 0 зависит от безразмерной скорости ветра W_e:

cos 0 = 0,75W_e^-0,49. (4.42)

Геометрические параметры пламени пожара разлития можно определить по формуле Томаса

Г ~|hW/

— = _a ^твыг D

W_e, (4.43)

где W_e = w(m_euz gD/p_n)^-^³ - безразмерная скорость ветра; m_eblz - массовая скорость выгорания, кг/(м с);

₃

р_п - плотность пара, кг/м;

р_в - плотность воздуха, кг/м;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

D - диаметр зеркала разлива, м; w - скорость ветра, м/с;

с - эмперический коэффициент, равный -0,21.

Эмпирические коэффициенты в формуле Томаса (a =55; b =0,67; с =-0,21) получены по результатам экспериментов, выполненных для широкого диапазона изменения параметров

10^-3 £ —D£ 10;10^-6 <p_e4gD£ 10^-2.

Скорость выгорания жидкостей определяют, как правило, экспериментально. Для экспертной оценки скорости выгорания, кг/(м²-с), можно воспользоваться эмпирической формулой

m_ebl2 = Ср_жQ$l—_исп, (4.44)

где р_ж - плотность жидкости, кг/м;

<2р - низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг;

Lien - скрытая теплота испарения жидкости, Дж/кг.

Рис. 4.5. - Расчетная схема пожара разлития: L - высота пламени пожара разлития; r - радиус пожара разлития; r' - перелив; 0 - угол наклона; w - скорость ветра, м/с; s - расстояние от площадки на поверхности факела до мишени.

Значение коэффициента пропорциональности С=1,25^в10^-6 м/с получено путем обработки многочисленных экспериментальных данных по выгоранию большинства органических жидкостей и их смесей.

Степень термического воздействия пожара разлития (плотность теплового потока, падающего на элементарную площадку, расположенную параллельно (k = 0) и перпендикулярно (k = 90) поверхности разлива (см. рис. 4.5), кВт/м, несложно найти по формуле

Чпад = qco6Jexp[- 7 ■ 10"⁴ (R - r)], (4.45)

где q_co6 - средняя по поверхности плотность потока собственного излучения

пламени, кВт/м², значения которой для некоторых видов жидкого углеводородного топлива приведены в табл. 4.6;

j - угловой коэффициент излучения с площадки на боковой поверх­ности пламени пожара разлива на единичную площадку, расположенную на уровне грунта (см. рис. 4.5), определяемый по формулам, приведенным в прил. V.

При горении топлива в котлованах без ограничивающих стенок (очаг горения на уровне земли) имеет место так называемое " волочение" или " переливание" пламени под действием ветра за пределы очага горения, так что

оно как бы стелется по поверхности земли на расстояние r* (см. рис. 4.5), определяемое по формуле

Ре

(4.46)

г

Обозначения те же, что и в формуле (4.43). Для углеводородного топлива k₁ = 1; k₂ = 0,069; k₃ = 0,48; для сжиженного природного газа:

k₁ = 1,5; k₂ = 0,069; k ₃ = 0.

Горение парогазовоздушного облака. Крупномасштабное диф­фузионное горение парогазовоздушного облака, реализуемое при разгерметизации резервуара с горючей жидкостью или газом под давлением, носит название " огненный шар". Плотность теплового потока, падающего с

поверхности "огненного шара" на элементарную площадку на поверхности мишени, кВт/м, равна

qпад = qco6Jexp[- 7 -10R² + H² - D_#/2], (4.47)

где q_co6 - плотность потока собственного излучения "огненного шара",

₂₂

кВт/м², допускается принимать равной 450 кВт/м² (табл. 4.7);

R - расстояние от точки на поверхности земли непосредственно под центром "огненного шара" до облучаемого объекта, м;

H - высота центра "огненного шара", м, которую допускается прини­мать равной D_3(pj 2;

D_3(p - эффективный диаметр "огненного шара", м;

j - угловой коэффициент излучения элементарную площадку облучаемой поверхности. D34> = 5,33M 0,:J27, где M - масса горючего вещества, кг. HjD3(p + 0,5

шара" на (4.48) (4.49)

" огненного

с

1,5

4[(hID34))2 +(r/D3(P)2 Время существования "огненного шара", с, рассчитывают по формуле t = 0,92M 0,303. (4.50) Рассчитав значения qnad и t по формулам (4.47) и (4.50), несложно определить величину пробит-функции по прил. I - степень термического поражения Pnop.

Топливо d = 10 м d=20 м d=30 м d=40 м d=50 м твыг, кг/(м»с) СПГ (метан)           0,08 СУГ(пропан)           0,10 Бензин           0,06 Дизельное топливо           0,04 Нефть           0,04

Таблица 4.6 - Значения qco6, кВт/м, для жидкого углеводородного топлива

Примечание. Для очагов диаметром менее 10 м и более 50 м следует принимать величину q_co6 такой же, как и для очагов диаметром 10 и 50 м

соответственно.

R=0,282RУ qсоб/qкр

Горение зданий и промышленных объектов. Расчет протяженности зон теплового воздействия, м, при горении зданий и промышленных объектов производится по формуле

■д? I------------------------:--------------

(4.51)

где q_кр - критическая плотность потока излучения пламени пожара,

падающего на облучаемую поверхность, кВт/м² (табл. 4.8); R* - приведенный размер очага горения, м, равный

4lh- для горящих зданий;

(1,75...2)V/h- для штабеля пиленого леса;

D_рез - диаметр резервуара, м;

8D _рез - диаметр резервуара для горения нефтепродуктов;

/ - длина объекта горения, м; h - высота объекта горения, м.

Задавая ту или иную степень поражения человека, сооружений и других объектов, по формуле (4.51) можно определить искомое расстояние от очага пожара.

q кр, кВт/м2 Человек ГЖ ЛВЖ Древесина Ожог I степени Ожог II степени возгорание возгорание возгорание 40,0 <1,0 <1,0   - - 35,0 <1,0 <1,0 -   - 30,0 1,0 2,0 -       2,0 3,0 - -     4,0 5,0 - - -   6,0 9,0 - - -   16,0 25,0 - - - 4,2 20,0 40,0 - - - 1,5 Безопасно Безопасно - - -

Таблица 4.8 - Значения времени, с, при критических значениях плотности потока падающего излучения

Примечание. ГЖ - мазут, торф, масло и т.п.; ЛВЖ - ацетон, бензол, спирт и т. п.

Таблица 4.7 - Теплотехнические характеристики материалов и веществ

Вещество, материал	Массовая скорость выгорания, Увыг кг/(м»с)	Теплота горения, Дж/кг	Плотность потокапламени пожара, qco6, кВт/м2
Ацетон	0,047
Бензол	0,08
Бензин	0,05	44 000	1780...2200
Керосин	0,05	43 000
Мазут	0,013
Нефть	0,02	43 700
Древесина	0,015	19 000
Каучук	0,013	42 000
натуральный
Пиломатериалы	0,017	14 000

4.3. Чрезвычайные ситуации, вызванные выбросом токсических веществ

Для оценки последствий аварий, сопровождающихся выбросом токсических веществ, используется несколько методик (методика ГО, методика НТЦ "Промышленная безопасность Госгортехнадзора России ТОКСИ" и т.д.).

Методика РД52 -04 предназначена для решения задач ГО, поскольку она позволяет определить только границы зоны порогового поражения. Методика ТОКСИ позволяет определить пространственно-временное поле концентраций опасного химического вещества (ОХВ), размеры зон химического заражения, соответствующих различной степени поражения людей, определяемой по ингаляционной токсидозе. Методика ТОКСИ рекомендуется для использования при разработке декларации безопасности ОПО, при разработке планов по защите персонала и населения и т. п.

Методика РД52 - 40 и ТОКСИ ниже будут рассмотрены отдельно.

Методика РД52 - 40. При прогнозировании последствий химических аварий применяются следующие допущения:

емкости, содержащие ОХВ, разрушаются полностью;

толщина слоя ОХВ, разлившегося свободно по подстилающей поверхности, принимается равной 0,05 м по всей площади разлива;

при проливе ОХВ из емкостей, имеющих самостоятельный поддон (обваловку), толщина слоя жидкости принимается равной h = H - 0,2 м, где H - высота поддона (обваловки), м;

при аварии на газо- и продуктопроводах величина выброса ОХВ принимается равной его максимальному количеству, содержащемуся в трубопроводе между автоматическими отсекателями;

предельное время пребывания людей в зоне заражения принимается равным 4 ч.

Исходными данными для прогнозирования являются:

общее количество ОХВ на опасном химическом объекте (ОХО) и данные по его размещению в емкостях и технологических трубопроводах;

количество ОХВ, выброшенных в атмосферу, и характер их разлива (в поддон, в обваловку или на грунт);

токсические свойства ОХВ;

метеорологические условия (температура воздуха, скорость ветра на высоте 10 м, состояние приземного слоя воздуха); при заблаговременном прогнозе принимают, что скорость ветра равна 1 м/с, а состояние атмосферы -инверсия; пороговая текстура D_nop, мг-мин/л, при ингаляционном воздействии

на организм человека.

Зона заражения характеризуется формой, глубиной заражения Г, км, и площадью фактического заражения F_ip, км².

Глубины зон заражения первичным Г₁ км, и вторичным Г₂, км, облаками определяется по табл. VI. 1 прил. VI в зависимости от скорости ветра w, м/с, и эквивалентного количества ОХВ Q₃, т.

Полная глубина зоны заражения, км, определяется как

'Г_зар = Г + 0,5Г₂,Г_х > Г₂,

Г_зар = Г2 + 0,5Г1,Г1 < Г₂. ^{( . )}

Предельно возможное значение глубины переноса воздушных масс, км,

равно

Гпред = ИТ, (4.53)

где u - скорость переноса переднего фронта зараженного воздуха при заданной скорости ветра и степени вертикальной устойчивости атмосферы, км/ч (табл. VI.2 прил. VI);

т - время от начала аварии, ч. Степень вертикальной устойчивости атмосферы можно определить по табл. VT.3. прил. VI.

За истинную глубину зоны заражения принимается величина

Г = ГШп{Гз_ар^, Гпред ^{}. (4.54)}

Площадь зоны заражения ОХВ

S зар = Г ²т^0,2, (4.55)

где k_B - коэффициент, учитывающий влияние степени вертикальной

устойчивости воздуха на ширину зоны заражения: для инверсии он равен 0,081, изотермии - 0,133, конвекции - 0,235; т - время с момента начала аварии, ч.

В зависимости от скорости приземного ветра зоны заражения наносятся на карты в виде круга или сектора с угловыми размерами:

Скорость ветра, м/с < 0,5 0,6...1 1,1...2 >2

Угловые размеры, град. 360 180 90 45

В случае аварии на ОХО, расположенном на расстоянии R, км, от города и при условии, что Г > R, зона заражения охватывает как город, так и загородную зону.

Площадь зоны заражения ОХВ в городе, км², равна

_с ^Sзар Г р. 2R- Г1 S(2R- Г) /_ _DZ

S _гпр =—- — + arcsin------------------- ^----- —— ^rR - R, (4.56)

^гор р L 2 Г J 1,6Г^{2 V }}

а в загородной зоне, км²:

^Sз.з = ^Sзар ^{- S}гор ^{. (4.57)}

Количественные характеристики выброса ОХВ для расчетов параметров зоны заражения определяются по его эквивалентному значению Q₃, под

которым принимается такое количество хлора, масштаб заражения которым при инверсии эквивалентен масштабу заражения при данном состоянии атмосферы количеством данного ОХВ, перешедшим в первичное (вторичное) облако.

Эквивалентное количество ОХВ по первичному облаку, кг, определяется по формуле

<2_Э1 = ^5 ^7 Q0, (4.58)

где k₁ - коэффициент, зависящий от условий хранения ОХВ (табл. VI.4 прил. VI);

k₃ - коэффициент, равный отношению пороговой токсидозы хлора к

пороговой токсидозе рассматриваемого ОХВ (табл. VI.4 прил. VI);

k₅ - коэффициент, учитывающий степень вертикальной устойчивости

атмосферы (1 - для инверсии, 0,23 - для изотермии и 0,08 - для конвекции);

k7 - коэффициент, учитывающий влияние температуры воздуха (табл.

VI.4 прил. VI);

< ₀ - количество разлившегося (выброшенного) ОХВ, кг.

Для сжиженных газов, не вошедших в табл. VI.4 прил. VI, значение коэффициента k₇ принимается равным 1, а значение k₁ определяется по

соотношению

= СрАТ

^—исп

где С_р - удельная теплоемкость жидкого ОХВ, кДж/(кг^вК);

АТ - разность температур жидкого ОХВ до и после разрушения емко­сти, град;

—исп - удельная теплота испарения, кДж/кг.

Эквивалентное количество ОХВ по вторичному облаку, кг, определяется по формуле

q = ^{(1 - k}1 ^)k2^k3^k4^k5^k6^k7^Q0 (_{4 59})

где k₂ - коэффициент, зависящий от физико-химических свойств ОХВ (табл. VI.4 прил. VI);

k₄ - коэффициент, учитывающий скорость ветра (табл. VI.5 прил. VI); k₆ - коэффициент, учитывающий время, прошедшее с начала аварии т,

ч;

₃

р_ж - плотность жидкой фазы ОХВ, кг/м (табл. VI. 1 прил. VI);

h - толщина слоя разлившегося жидкого ОХВ, м

k6

{„. 0,8

исп;

I _0,8 _Т>_Т \Уисп ^{, т} > ^тисп ^,

где т_исп - время испарения ОХВ, ч, определяемое по формуле

^исп = _k^hJ²f- ■ (4-60)

k₂ k₄ k₇

Коэффициенты k₂, k₄ и k₇ определяем по табл. VI.4 прил. VI, k₄ - по

табл. VI.5, прил. VI.

Если т_исп <1 ч, k ₆ принимается для 1 ч.

Основными факторами, влияющими на количество пораженных среди персонала и населения, оказавшихся в зоне заражения, являются:

различие в характере воздействия на население первичного и вторичного облаков ОХВ;

количество населения, оказавшегося в зоне возможного заражения;

степень защищенности населения, попавшего в зону заражения, от воздействия опасных концентраций ОХВ.

Различия в воздействии первичного и вторичного облаков на человека заключается в том, что первичное облако имеет более высокую концентрацию паров ОХВ, но воздействует кратковременно, а вторичное облако, имея более низкую концентрацию паров ОХВ, воздействует на человека в зоне заражения более длительное время.

Принимаем, что население, как в городе, так и в загородной зоне, распределено по территории равномерно.

Количество населения, попавшего в зону заражения, N, чел., рассчитывается исходя из средней плотности по формуле

N = Р_ГорS_ГОр + P3.3Sз.з, (4.61)

где Р_гор и Р_зз - плотность населения соответственно в городе и загородной зоне, чел./км²;

S_гор и S_зз - площади территории в городе и загородной зоне,

приземный слой воздуха которых подвергся заражению, км. Основными исходными данными для расчета являются: наличие факторов поражения (первичное и вторичное облако, либо

только первичное, либо только вторичное);

средняя плотность населения в зоне заражения;

доля населения, которую планируется защитить тем или иным способом (укрытие в жилых и производственных помещениях, транспорте, убежищах и других защитных сооружениях; использование индивидуальных средств защиты и эвакуация);

степень защищенности населения при использовании определенного способа защиты.

С учетом перечисленных исходных данных оценка последствий химической аварии (ожидаемого ущерба) Р_пор может быть представлена

следующим образом:

Рпор = = Z (1 - *i защ), (4.62)

где N_nop - количество пораженного населения, чел.;

N - общее количество населения, чел.;

q - доля населения, защищаемая от ОХВ i -м способом;

k_i защ - коэффициент защиты (укрытия i -го типа).

В случае образования первичного и вторичного облаков сначала рассчитывают количество пораженных от первичного облака (N_nop1).

Расчет количества человек, пораженных ОХВ вторичного облака, производится путем вычитания числа пораженных от первичного облака из общего количества населения, попавшего в зону заражения.

В табл. VI.6, VI.7 и VI.8. прил. VI приведены коэффициенты защищенности населения с учетом времени его пребывания открыто на местности, в жилых и производственных зданиях и т. п.

Структура характерных поражений населения после применения ОХВ,%:

Степень поражения
тяжелая, средняя 15
легкая 20

пороговая 55

Смертельный исход 10

Для определения пространственного распределения населения с разной степенью поражения можно в первом приближении принять, что глубина зоны смертельного поражения равна 0,3Г, глубина зоны тяжелого и среднего поражения равна 0,5Г, глубина зоны легкого поражения равна 0,7Г.

Время подхода облака ОХВ к заданному объекту, ч, зависит от скорости переноса облака воздушным потоком и определяется по формуле

⁷подх = ^xl^{u ,}

где x - расстояние от источника заражения до заданного объекта, км;

u - скорость переноса переднего фронта облака зараженного воздуха, км/ч

(определяется по табл. VI.2 прил. VI).

Методика ТОКСИ. Методика предназначена для количественной оценки последствий химических аварий на промышленном объекте с выбросом ОХВ в атмосферу.

При разработке методики приняты следующие допущения:

газообразное ОХВ считается идеальным газом, свойства которого не зависят от температуры:

жидкое ОХВ считается несжимаемой жидкостью, свойства которой не зависят от температуры;

истечение ОХВ и его испарение происходят с постоянной скоростью;

в образовавшемся сразу после выброса облаке находится только ОХВ без подмешанного воздуха;

разлив жидкой фазы происходит по твердой, не впитывающей поверхности с высотой разлившегося слоя 0,05 м;

при расчете рассеяния ОХВ в атмосфере используется гауссова модель диффузии пассивной примеси, осаждение ОХВ на подстилающую поверхность и его химические превращения не учитываются;

метеоусловия остаются неизменными в течение времени экспозиции, а характеристики атмосферы - постоянны по высоте.

В зависимости от агрегатного состояния опасного химического вещества в оборудовании и характера разрушения оборудования методика позволяет провести расчеты для следующих сценариев аварии.

Сценарий 1. Полное разрушение оборудования, содержащего ОХВ в газообразном состоянии; Сценарий 2. Нарушение герметичности (частичное разрушение) оборудования, содержащего ОХВ в газообразном состоянии; Сценарий 3. Полное разрушение оборудования, содержащего ОХВ в жидком состоянии; Сценарий 4. Нарушение герметичности (частичное разрушение) оборудования, содержащего ОХВ в жидком состоянии. Сценарии 1 и 3 применимы только к емкостному оборудованию, сценарии 2 и 4 - как к емкостному оборудованию, так и к трубопроводам. При заблаговременном прогнозировании последствий химической аварии в качестве исходных данных рекомендуется принимать: сценарии с полным разрушением емкости, содержащей ОХВ в максимальном количестве; сценарий "гильотинного" разрыва трубопровода с максимальным расходом при максимальной продолжительности выброса; метеорологические условия: класс устойчивости атмосферы - инверсия, скорость ветра - 1 м/с. Исходными данными для расчета являются: физико-химические и токсикологические характеристики ОХВ; количество и технологические параметры ОХВ; параметры оборудования, в котором обращается ОХВ; вероятный сценарий выброса ОХВ в атмосферу; топографические характеристики территории вблизи аварийного объекта; метеоусловия на момент аварии; время экспозиции. Определение количественных характеристик выброса. Сценарий 1. Масса ОХВ, образующая первичное облако Qi, кг, для всех сценариев (i - номер сценария) равна

(4.63)

где Q - известная масса ОХВ в оборудовании; V1 - известный объём оборудование, м3; Р1 - давление, Па; T1 - температура, К; /и - молекулярная маса ОХВ, кг/моль; R - универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/(моль-К). Плотность ОХВ в первичном облаке /?1выб, кг/м3, равна

(4.64)

p1 J

где p₁ = Q_xj V₁ - плотность ОХВ в оборудовании, кг/м³;

P₀ - давление в окружающей среде, принимаемое равным 100000 Па; к - показатель адиабаты газа.

Размер первичного облака в начальный момент времени R₁ м, равен

R₁ = з ^{1 3}

3Qi

выб

(4.65)

Сценарий 2. Первичное облако не образуется, т.е. Q₂ = 0. Расход ОХВ во вторичное облако, образующееся при истечении газообразного ОХВ из разрушенного оборудования q 2'^н, кг/с, равен

к -1

Г

q 2^н =

0,8 Smin

<

2 P2 Р:

P2 р 2 к

V ^P2 J

(к + 1)^(к+^1)(к-1)

1 I

(4.66)

где S - площадь отверстий разгерметизации, м; min - минимальное из всех значений.

Продолжительность истечения газообразного ОХВ из разрушенного оборудования г2'^н, с, равна

т2'н = min

Q + Qxp Qxp ]
q 2 q 2 _

если известна масса ОХВ в оборудовании Q, и

(4.67a)

т2'н = min

mV₂ P₂ ^QTp