Колодкин В.М., Мурин А.В., Петров А.К., Горский В.Г. Количественная оценка риска химических аварий

Подождите немного. Документ загружается.

7.1. Частотные характеристики аварий 191

Таблица 7.1. Прогнозируемые частоты возникновения аварийных ситуаций на ком-

плексе по утилизации.

Наименование Частота, год

−1

Аварийные ситуации на основном производстве

Взрыв РДТТ на стадии входного контроля (ПП №3) 1, 40 ·10

−4

Воспламенение РДТТ на стадии входного контроля (ПП №3) 1, 39 · 10

−2

Взрыв РДТТ при выполнении вспомогательных операций

(ПП №2)

1, 91 ·10

−4

Воспламенение РДТТ при выполнении вспомогательных опера-

ций (ПП №2)

1, 89 ·10

−2

Разрушение камеры сжигания в процессе сжигания (ПП №2) 8, 02 ·10

−3

Выброс продуктов сжигания через аварийный клапан (ПП №2) 1, 46 ·10

−3

Выброс продуктов сжигания через крышку камеры сжигания

(ПП №2)

1, 45 ·10

−3

Взрыв РДТТ в процессе сжигания (ПП №2) 1, 00 · 10

−5

Аварийные ситуации на вспомогательных производствах

Разрушение емкости с HCl с последующим испарением < 8, 02 · 10

−3

Разгерметизация резервуаров с гидроксидом натрия < 10

−2

Разгерметизация бочек с гипохлоридом натрия < 10

−2

Утечка природного газа с последующим взрывом газовоздуш-

ной смеси

< 5 · 10

−3

Взрыв установки с жидким азотом < 5 · 10

−3

Аварийный процесс может привести к воздействию на реципиента риска. На-

пример, пожар, вызванный взрывом на объекте, может привести к ряду воздей-

ствий: термическому, токсическому и др. Для целей предварительного анализа

уровня опасности из полной совокупности аварийных сценариев целесообразно

выбрать только наиболее значимые по последствиям аварийные сценарии.

Анализ таблицы показывает, что наиболее вероятными авариями на основном

производстве являются воспламение заряда двигателя и разрушение камеры сжи-

гания. Взрыв двигателя является в значительной степени менее вероятным.

Аварийные инциденты, связанные с выбросом продуктов сжигания ракетного

топлива из камеры сжигания, протекают по наиболее благоприятному, контроли-

руемому сценарию. Эти сценарии были рассмотрены в ТЭО. Было установлено,

что токсическое воздействие в результате этого инцидента на население незна-

чительно. Аварийные ситуации на вспомогательном производстве были подробно

рассмотрены в «Заключении экспертизы промышленной безопасности на ТЭО».

Было установлено, что воздействия от аварий на вспомогательном производстве

локализованы внутри территории комплекса по утилизации. Причем речь идет об

условных оценках риска, не учитывающих частоту аварийной ситуации. Учет ча-

стотного фактора приведет к уменьшению численных значений оценок.

Таким образом, представляется целесообразным исследовать уровень опасно-

сти для населения от аварий, связанных с воспламенением РДТТ, разрушением

192 Оценка уровня опасности от комплеса по утилизации ракетных двигателей

камеры сжигания и взрывом заряда двигателя. В рамках предварительной оценки

уровня опасности анализировались последствия разрушения камеры сжигания и

воздействия ударной волны взрыва.

7.2. Характеристики источников опасности

Рассмотрим подробнее процессы, протекающие в камере сжигания. Исследо-

вание режимов бессоплового сжигания зарядов двигателей выявило то обстоя-

тельство, что процесс сжигания некоторых типов РДТТ может проходить при по-

вышенном давлении во внутреннем канале заряда. Далее, предположим, что на

стадии входного контроля был пропущен дефектный заряд твердого топлива. В

таком случае, при сжигании может произойти увеличение площади горения, что

приведет к увеличению давления во внутреннем канале и разрушению двигателя.

В свою очередь, это может привести к увеличению давления внутри камеры сжи-

гания. При сбое в работе аварийного клапана камера может быть разрушена. В

результате аварийного разрушения камеры, в атмосферу поступают неочищенные

газообразные продукты горения твердого ракетного топлива (в т. ч. содержащие

токсичные компоненты) в виде облака горячего газа.

При воспламенении заряда двигателя продукты горения будут поступать в

атмосферу на протяжении определенного времени (4-8 мин). Кроме того, характе-

ристики источника будут подобны источнику при выбросе из клапана сжигания.

Эта аварийная ситуация рассмотрена в ТЭО, и не было выявлено опасности для

населения. Действительно, ближайший населенный пункт расположен в двух ки-

лометрах от установки. Величина аварийного воздействия на таком расстоянии

существенна только для значимых аварий.

При взрывном разрушении заряда двигателя возникает ударная волна, при-

водящая к поражению людей и механическому повреждению строений в районе

эпицентра взрыва. Кроме того, в результате взрыва возможны дополнительные ме-

ханизмы воздействия на удаленных от эпицентра взрыва реципиентов. Во-первых,

определенную опасность будет представлять механическое воздействие обломков

заряда, твердых частиц и кусков грунта. Во-вторых, при возникновении пожара в

результате взрыва может возникнуть дымовой выброс, представляющий потенци-

альную опасность как для населения, так и для персонала. Два вышеуказанных

механизма воздействия взрыва не рассматривались на представленной стадии ана-

лиза в силу достаточной удаленности мест проживания населения от комплекса

и относительно низкой частоты взрыва. Однако полный анализ аварийного рис-

ка обязательно должен включать оценку этих факторов, особенно при развитии

аварии на стадии транспортировки железнодорожным транспортом.

Таким образом, в данной работе ограничимся рассмотрением двух видов ава-

рийных воздействий: токсическим и барическим. Ограничение справедливо, если

реципиентом риска является население, проживающее вблизи комплекса, и оце-

ниваются последствия аварий на временном интервале порядка одного часа. Виду

воздействий соответствуют источники опасности.

7.2.1. Источник токсической опасности. Для верхней оценки последствий

химической аварии были приняты следующие допущения:

7.2. Характеристики источников опасности 193

Таблица 7.2. Химический состав продуктов горения ракетного топлива в расчете

на килограмм топлива.

ТХВ m, г ТХВ m, г

Cl(Cl

) 47,97 NO 52,44

HCl 141,85 CO 270,38

377,90

1. При аварийном разрушении камеры сжигания в процессе утилизации заряда

ракетного двигателя образуется облако с перегретыми парами неочищенных

продуктов горения ракетного топлива. Облако, поднимаясь за счет сил пла-

вучести, оставляет за собой загрязненный токсичной примесью «след» (см.

рассуждения в разделе 3.2).

2. Концентрации в следе облака соответствуют концентрациям, которые име-

ют место при сжигании двигателя максимальной массы — 50 т. Указанное

предположение основано на том факте, что при разрушении камеры в мо-

мент сжигания заряда двигателя с наибольшей массой, концентрация ТХВ

в следе поднимающегося облака максимальна. Однако нужно отметить, что

при больших массах заряда стабилизация подъема облака наступает на вы-

сотах, превышающих высоту атмосферного пограничного слоя. Из предва-

рительных расчетов следует, что примерно половина массы токсичных ве-

ществ, находящихся в облаке, не влияет на концентрации в приземном слое.

При меньших массах двигателя и определенных метеорологических усло-

виях возможны ситуации, когда стабилизация облака может наступить на

высотах, вблизи границы пограничного слоя атмосферы. В этом случае при-

земные концентрации могут оказаться больше, чем при аварии с двигателем

большей массы, за счет части стабилизировавшегося облака, попадающей в

ПСА.

3. Считается, что аварийные события – «воспламенение заряда» и «выброс из

камеры сжигания» – эквивалентны по последствиям аварийному событию

«разрушение камеры сжигания».

4. Концентрация каждого компонента продуктов горения в облаке является

максимальной для данного компонента с учетом возможных химических

превращений, а также среди различных типов двигателей. Рассмотрены

только наиболее опасные компоненты с большими концентрациями отно-

сительно ПДК (табл. 7.2).

5. Примесь считается пассивной. Предполагается, что при подъеме горячего

облака образуется холодный загрязненный след, кроме того, само облако к

моменту стабилизации также успевает охладиться до температуры окружа-

ющей среды.

6. Не учитываются вымывание примеси осадками и гравитационное оседание

(это допущение может оказаться недостаточно обоснованным для Al

так как этот компонент присутствует в продуктах горения в виде мелкодис-

персной пыли). Не рассматриваются процессы конденсации водяного пара.

194 Оценка уровня опасности от комплеса по утилизации ракетных двигателей

Концентрации токсичных веществ в следе были рассчитаны на основе модели

подъема в атмосфере облака нагретого газа (раздел 3.2). Полученное распреде-

ление концентраций примеси использовалось в качестве начального условия для

решения уравнения турбулентной диффузии (раздел 4.4).

Таким образом, введен некоторый эффективный источник токсической опаснос-

ти, обеспечивающий предварительную оценку риска. Следует отметить, что более

детальные расчеты, которые являются предметом будущих исследований, могут

привести к определенному изменению оценки уровня потенциальной опасности.

7.2.2. Источник опасности при гипотетическом взрыве. Допуская гипоте-

тическую возможность взрыва заряда ракетного двигателя, можно предполагать,

что наихудшие последствия для человека будут при взрыве заряда максимальной

массы. Отметим, что возможность взрыва теоретически отвергается. По крайней

мере, для декларируемых составов ракетного топлива. Однако возможен разрыв

двигателя за счет нештатного режима горения.

При наличии дефектов в заряде дви-

Тип РДТТ Масса, кг

СС-Н-20 49000

СС-24, СС-24М 48000

СС-25, I ступень 25000

СС-25, II ступень 10000

СС-25, III ступень 4000

Таблица 7.3. Масса заряда ракетного

топлива в зависимости от типа двига-

теля.

гателя во время сжигания возможно уве-

личение площади горения. Увеличение

площади горения и, соответственно, уве-

личение объема газообразных продук-

тов горения может привести к разруше-

нию двигателя и образованию в окружа-

ющей среде воздушной ударной волны.

Со стороны наблюдателя разрыв двигате-

ля подобен взрыву. Как указывалось вы-

ше, предварительному анализу подлежит

только воздействие ударной волны взры-

ва.

В данной работе, следуя принципу поиска максимального поражающего эф-

фекта, последствия этих различных по сути процессов — взрыв заряда и разрыв

двигателя, рассматриваются в рамках одной модели — модели точечного взрыва

(раздел 2.2).

Энергия, выделяющаяся при взрыве ракетного топлива, зависит от общей мас-

сы топлива. Тротиловый эквивалент вещества ракетного топлива принимался рав-

ным нормативному значению равному 1,2. В табл. 7.3 для каждого типа ракет-

ного двигателя приведена соответствующая масса заряда. Наибольшую опасность

представляют двигатели ракет СС-Н-20, СС-24 и СС-24-М, имеющие наибольшую

массу.

7.3. Оценка токсического воздействия

При взрыве или воспламенении заряда твердого ракетного топлива, а так-

же при разрушении камеры сжигания, перегретые продукты горения ракетного

топлива попадают в атмосферу, что может привести к токсическому поражению

персонала и населения. Величина токсического воздействия может быть охаракте-

ризована в терминах среднечасовых концентраций и токсических ингаляционных

7.3. Оценка токсического воздействия 195

0.01

0.1

100

0 500 1000150020002500300035004000

0.01

0.1

100

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

PSfrag replacements

twa

/ПДК

рз

D/P C

Расстояние, м Расстояние, м

Граница СЗЗГраница СЗЗ

Граница СЗЗ

ПервомайскийПервомайский

Первомайский

КамскоеКамское

Камское

ДрёминоДрёмино

Дрёмино

Гавриловка

HCl

а) б)

Рис. 7.2. Зависимость относительных концентраций и токсических доз от рассто-

яния при наиболее неблагоприятных метеорологических условиях (скорость ветра

1 м/с, инверсия)

доз. Прогноз распространения токсичных веществ в атмосфере выполнен для пе-

риода времени 1 час.

Средняя по времени концентрация c

twa

определяется как

twa

(x, y) = D(x, y)/t

, (7.3.1)

где t

— временной масштаб, а накопленная токсическая доза D определяется

следующим выражением:

D(x, y) =

c(x, y, h)dt, (7.3.2)

где t — время, c(x, y, h) — концентрация ТХВ на высоте слоя дыхания h = 1.5 м.

На рис. 7.2 а) представлена зависимость относительных концентраций от рас-

стояния при наиболее консервативных метеорологических условиях. Относитель-

ная концентрация — отношение c

twa

к предельно допустимой концентрации рабо-

чей зоны (ПДК

рз

). Использование ПДК

рз

обусловлено тем, что в случае аварии

воздействие относительно кратковременно. Отметим, что ПДК

рз

по смыслу отве-

чает концентрации, под действием которой человек может находиться в течение

рабочего дня (8 часов) без последствий для здоровья.

Из рис. 7.2 а) следует, что концентрации наиболее опасных веществ (Cl, HCl)

не превышают ПДК во всех населенных пунктах. Превышение ПДК в атмосфере

населенных пунктов при аварии на комплексе имеет место только для оксида

алюминия.

196 Оценка уровня опасности от комплеса по утилизации ракетных двигателей

Уровень токсического воздействия характеризуется накопленной токсической

дозой ТХВ и способом передачи воздействия реципиенту риска. Отношение на-

копленной токсической дозы к пороговой токсической дозе P C

при наиболее

консервативных метеорологических условиях представлено на рис. 7.2 б). Порого-

вая токсическая доза имеет смысл такой величины, начиная с которой вероятно

какое-либо поражение организма. Как видно из рис. 7.2 б), некоторое превышение

пороговой токсической дозы наблюдается только в непосредственной близости от

места аварии, тогда как уже на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) накоп-

ленная доза на порядок ниже пороговой [185].

7.4. Оценка воздействия ударной волны взрыва

Формирующаяся при взрыве или разрыве двигателя ударная волна может при-

водить к механическому разрушению зданий и поражению людей. Степень раз-

рушения и поражения определяется величиной избыточного давления на фронте

ударной волны. Результаты расчетов зон разрушений приведены в табл. 7.4.

Анализ представленной информации позволяет заключить, что при взрыве за-

ряда ракетного топлива на ПП №2 будут разрушены сооружения, размещенные

непосредственно на площадке по утилизации ракетных двигателей. Возможны

незначительные разрушения одно- и двухэтажных каменных зданий на ПП №1 и

ПП №2. Также будет нанесен ущерб лесному массиву, находящемуся в непосред-

ственной близости от эпицентра взрыва. На расстоянии порядка 1 км от эпицентра

можно ожидать лишь незначительных повреждений лесного массива.

Севернее ПП №2 на расстоянии 930 м проходит магистральный газопровод.

Как показывают результаты расчетов, даже при взрыве самого мощного заряда

ракетного двигателя разрушение газопровода не произойдет. При взрыве заряда

Таблица 7.4. Прогнозируемые зоны разрушений (м) при взрыве двигателя макси-

мальной массы.

Зона Зона Зона

Объект воздействия сильных средних слабых

разруше- разруше- разруше-

ний ний ний

Основные промышленные сооружения комплекса ути-

лизации

194 232 303

Складские здания (кирпичная кладка) 232 303 493

Трансформаторные подстанции (кирпичная кладка) 194 303 493

Линии электропередачи высокого напряжения 131 170 232

Трубопроводы, заглубленные в землю на глубину не

менее 20 см

— 76 —

Деревянные одноэтажные здания (жилые дома) 432 583 724

Одно- и двухэтажные каменные здания 260 366 583

Лесной массив. Средний возраст деревьев - 45-50 лет.

Средняя высота 20-24 м, диаметр 18-27 см

— 830 —

7.4. Оценка воздействия ударной волны взрыва 197

Рис. 7.3. Вероятность летального поражения при взрыве заряда РДТТ максималь-

ной массы

твердого ракетного топлива на ПП №3 будут разрушены сооружения, находящие-

ся непосредственно на площадке. Возможны незначительные разрушения одно- и

двухэтажных зданий на ПП №2.

Воздействие на людей избыточного давления, возникающего на фронте удар-

ной волны, характеризуется вероятностью поражения. На рис. 7.3 показана за-

висимость между функцией ущерба (вероятностью смертельного поражения) и

расстоянием от эпицентра взрыва для взрыва заряда твердого ракетного топлива

максимальной массы (СС-Н-20). В табл. 7.5 представлены результаты расчетов ра-

диусов границ зон 100% и 50% поражения людей при взрывах различных типов

двигателей.

По технике безопасности на период

Тип двигателя 100% 50%

СС-Н-20 115 141

СС-24, СС-24М 114 141

СС-25, I ступень 92 113

СС-25,II ступень 68 83

СС-25, III ступень 50 61

Таблица 7.5. Границы зон (м) 100% и

50% поражения.

сжигания заряда весь обслуживающий

персонал эвакуируется c ПП №2 на

ПП №1. Следовательно, при теоретичес-

ки допускаемом взрыве поражение обслу-

живающего персонала не прогнозирует-

ся. В случае взрыва заряда на стадии

входного контроля или на стадии подго-

товительных операций может пострадать

значительная часть персонала. Для насе-

ления прилегающего района воздействие

ударной волны взрыва заряда твердого ракетного топлива угрозы не предствля-

ет [186], так как зона поражения локализована в радиусе 230 м.

198 Оценка уровня опасности от комплеса по утилизации ракетных двигателей

7.5. Характеристики уровня потенциальной опасности

Уровень потенциальной аварийной опасности, связанный с объектом, может

иметь различные характеристики (см. раздел 1.2).

Оценки концентраций токсичных продуктов горения ракетного топлива и ток-

сических доз показали (см. раздел 7.3), что токсические дозы, которые может

получить население при потенциальной аварии, значительно ниже пороговых. Сле-

довательно, можно ожидать малых или нулевых значений ущерба при химической

аварии. В связи с последним обстоятельством представляется целесообразным оце-

нить риск порогового поражения населения.

7.5.1. Алгоритм расчета аварийного риска. На стадии частотного анализа

было выделено 9 типов аварийных ситуаций. Однако анализ источников опасности

показал, что можно выделить два «эффективных» источника опасности: источ-

ник химической опасности и источник взрывоопасности. Причем характеристи-

ки указанных источников опасности выбраны таким образом, чтобы обеспечить

максимальность оценок риска. Следовательно, вероятности можно сгруппировать

исходя из пространственной и физической неоднородности источников, введя та-

ким образом «эффективные» аварийные ситуации. Результат процесса группировки

приведен в табл. 7.6.

Таким образом, характеристики уровня потенциальной опасности, порожда-

емой объектом, могут быть получены прямым суммированием по аварийным ситу-

ациям, приведенным в табл. 7.6. Расчет условных оценок аварийного риска про-

водился по следующей схеме. Для аварийных ситуаций, связанных со взрывом

двигателя, условная оценка эквивалентна ущербу в силу независимости ущерба

от параметров среды. Для аварийных ситуаций, связанных с «выбросами» продук-

тов горения ракетного топлива в атмосферу, проводилось осреднение ущерба по

климатическим параметрам. При осреднении по направлениям ветра использова-

лась полярная сетка с угловым разрешением в 1

◦

7.5.2. Условные оценки аварийного риска.

Токсическое воздействие. Расчеты по определению величин условных оце-

нок аварийного риска выполнены на основе уровня химической опасности от ава-

рий, связанных с «выбросом» продуктов горения ракетного топлива в атмосферу.

Результаты интегральных оценок аварийных рисков приведены в табл. 7.7.

Химический состав продуктов горения ракетного топлива включает сотни ком-

понент. Однако, для предварительного прогноза уровня опасности были выбраны

Таблица 7.6. Частоты аварийных ситуаций, используемые для расчета риска.

Z Наименование аварийной ситуации Частота [год

−1

]

1 Взрыв РДТТ на ПП №2 1, 35 · 10

−4

2 Взрыв РДТТ на ПП №3 2, 01 · 10

−4

3 Выброс продуктов сгорания РДТТ на ПП №2 1, 39 · 10

−2

4 Выброс продуктов сгорания РДТТ на ПП №3 3, 00 · 10

−2

7.5. Характеристики уровня потенциальной опасности 199

Таблица 7.7. Характеристики уровня опасности при токсической аварии.

ТХВ

Летальное поражение Пороговое поражение

(Ω) W

(Ω)

4,93·10

−1

2,05·10

−15

3,44·10

1,85·10

−5

HCl 0 0 0,87·10

всего 4,93·10

−1

2,05·10

−15

4,21·10

1,85·10

−5

только наиболее значимые, по мнению экспертов, вещества (Cl, HCl). Из-за от-

сутствия данных по токсическим свойствам, в оценках риска не учитывался вклад

оксида алюминия. Вместе с тем, при аварии на комплексе именно для оксида

алюминия возможно превышение ПДК (см. раздел 7.3). Указанное обстоятельство

может привести к некоторому занижению оценок риска порогового поражения.

Так как максимальные значение локальных оценок риска много меньше едини-

цы, для расчета суммарного поражения от различных компонент использовалось

аддитивное правило [187].

Из табл. 7.7 следует, что летальное поражение вероятно лишь от воздействия

хлора, тогда как пороговое поражение возможно от обоих ТХВ. Кроме того, по-

скольку рассматривалось только ингаляционное воздействие токсичных веществ,

возможна некоторая недооценка токсического воздействия через кожный покров.

Интегральная оценка условного аварийного группового риска (т. е., прогнози-

руемое число жертв за год при условии, что авария имела место) показывает, что

при химической аварии не ожидается летальных исходов, а исходы, связанные с

пороговым поражением среди населения, чрезвычайно маловероятны.

−2

−4

−6

−8

−10

Рис. 7.4. Условная оценка локального риска порогового поражения в случае раз-

рушения камеры сжигания

200 Оценка уровня опасности от комплеса по утилизации ракетных двигателей

−10

−12

−14

−16

−18

Рис. 7.5. Условная оценка локального риска летального поражения в случае раз-

рушения камеры сжигания

Указанное обстоятельство иллюстрируют рисунки 7.4 и 7.5 с распределением

условных оценок локального риска (напомним, что условная оценка локального

риска имеет смысл вероятности поражения человека в выделенной точке в ре-

зультате аварии). Из рисунков видно, что поле риска локализовано непосредствен-

но вблизи объекта. При удалении от объекта численные значения риска быстро

убывают. Вероятности поражения в случае аварии на территории близлежащих

населенных пунктов чрезвычайно малы (для порогового поражения — 10

−7

, для

летального — 10

−11

Таким образом, какой-либо значительной токсической опасности в случае раз-

рушения камеры сжигания с «выбросом» продуктов горения в атмосферу или вос-

пламенения ракетного двигателя на стадии предварительного анализа не обнару-

жено.

Воздействие ударной волны. На основе результатов, представленных в раз-

деле 7.4, рассчитана интегральная оценка условного аварийного риска при гипо-

тетическом взрыве заряда ракетного топлива. Результаты расчетов представлены в

табл. 7.8.

Из таблицы следует, что величина условного аварийного риска при гипотетиче-

ском взрыве ракетного топлива превышает величину условной оценки аварийного

риска от токсического воздействия продуктов горения ракетного топлива. Однако,