Яковлев В.В. Экологическая безопасность, оценка риска

Подождите немного. Документ загружается.

291

Рис. 14.1.3. Статистическое обобщение предельного расстояния ми-

грации облака паровоздушных смесей до взрыва.

При реализации перечисленных выше событий формируются пора-

жающие факторы, основными среди которых являются следующие.

При взрыве облака в атмосфере:

- воздушная ударная волна, характеризуемая избыточным давлением

во фронте, длительностью фазы сжатия, длительностью фазы раз-

ряжения и импульсом фазы

сжатия;

- тепловое излучение.

При дефлаграционном горении облака в атмосфере формируются те

же поражающие факторы, но с более низкими показателями взрывных па-

раметров и более высокими значениями факторов теплового воздействия.

Пожар разлития характеризуется выделением большого количества

тепла, способного вызывать не только поражение людей, но и воспламене-

ние соседних объектов, в том

числе резервуаров с нефтепродуктами, что

может сопровождаться взрывом.

В табл. 14.1.1 приведены значения «критической» интенсивности об-

лучения сосудов с нефтепродуктами, температура самовоспламенения ко-

торых не превышает 235°С при степени черноты резервуара 0.35.

Таблица 14.1.1.

Критические параметры теплового облучения резервуаров с нефтепродук-

тами, при достижении которых может произойти их взрыв.

Время действия тепла, мин 5 10 15 20 29 > 30

«Критическая» интенсивность теп- 34.9 27.6 24.8 21.4 19.9 19.5

100 1000 2000

Расстояние, м

Доля случаев,

292

лового потока, кВт/м

Взрыв типа «BLEVE» характеризуется образованием воздушной

ударной волны с перечисленными выше поражающими факторами, тепло-

вой энергии в виде «огненного шара» и осколков разрушенной части кон-

струкции резервуара, имеющих большую кинетическую энергию и сохра-

няющих поражающее действие на расстояниях до нескольких сотен мет-

ров.

Анализ данных по 130 аварийным взрывам типа «BLEVE» показыва-

ет,

что в 89 случаях (68%) наблюдался и «огненный шар» и разлет оскол-

ков, в 23 случаях (18%) – только «огненный шар», а в 17 случаях (13%) –

только разлет осколков.

Сформировавшееся при испарении паровоздушное облако способно

воспламениться при наличии стороннего источника энергии. Смесь может

содержаться в виде облака в атмосфере и в замкнутом объеме сосуда. Под

возгоранием паровоздушной смеси

далее понимается как взрывное, так и

диффузионное его горение.

Как было сказано выше, энергия Е

, запасенная в паровоздушной

смеси, состоит из двух основных компонент:

- энергия Е

адиабатического расширения сосуда, если смесь нахо-

дится в герметичном резервуаре;

- энергия Е

химической реакции горючего вещества с окислителем с

выделением тепла (теплового превращения состава смеси).

QА

ЕЕЕ +=

(14.1.3)

Суммарная энергия Е

, запасенная в паровоздушной смеси облака (в

заряде) при возгорании в общем случае расходуется на:

- энергию Е

ВУВ

воздушной ударной волны;

- кинетическую энергию осколков Е

ОСК

;

- тепловую энергию Е

;

- энергию Е

сейсмических колебаний грунта.

SТОСКВУВ

ЕЕЕЕЕ +++=

(14.1.4)

Энергией, расходуемой на сейсмические колебания, при наземных и

воздушных взрывах, как правило, пренебрегают, поскольку эта энергия со-

ставляет доли процента от общей энергии заряда.

14.2. Тепловое воздействие на среду обитания пожаров разлития.

Основным параметром, характеризующим тепловое воздействие при

гонении нефтепродуктов, является плотность теплового потока (интенсив-

ность теплового облучения).

Интенсивность q(r) теплового

облучения мишени (человека, вещест-

ва, строения) при пожаре разлития нефтепродуктов на расстоянии r от цен-

тра пожара вычисляется по формуле:

293

)()()( rrFErq

Τ⋅⋅=

(14.2.1)

где q(r) – плотность теплового потока на расстоянии r, кВт/м

Е - среднеповерхностная интенсивность излучения пламени, (доля

энергии, выделяемая единичной площадью пламени, называемая часто те-

пловой эмиссией) кВт/м

;

(r)- угловой коэффициент облученности мишени;

(r) - теплопроводность воздуха на расстоянии r,

r - расстояние от геометрического центра пламени до мишени, м.

Эффективный диаметр горящего пролития нефтепродуктов определя-

ется как диаметр горящей лужи, приведенной по форме к кругу:

⋅

(14.2.2)

где S - площадь разлившегося нефтепродукта, м

Высота пламени Н (м) определяется через удельную массовую ско-

рость

(кг/м

⋅с) выгорания нефтепродукта, плотность воздуха ρ

(кг/м

) и

эффективный диаметр разлития d (м):

61.0

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅

⋅⋅=

(14.2.3)

Коэффициент теплопроводности воздуха Т

вычисляется по одной из

приведенных ниже формул.

Без учета влажности воздуха (огненный шар газовоздушной смеси):

)ln(058.01 rT

⋅−=

(14.2.4)

При относительной влажности воздуха до 20%:

)ln(12.000.1 rT

⋅−=

(14.2.5)

При относительной влажности от 20% до 50%:

)ln(12.096.0 rT

⋅−=

(14.2.6)

При относительной влажности 50%…100%:

)ln(12.092.0 rT

⋅−=

, (14.2.7)

где r - расстояние от геометрического центра пролива нефтепродукта

до мишени, м.

Угловой коэффициент F

, являющийся геометрической характери-

стикой теплообмена излучением системы тел в непоглощающей среде, в

общем случае определяется уравнением:

coscos

dFF

⋅

∫∫

(14.2.8)

где r - расстояние между центрами элементарных площадок dF

, dF

облучающего и облучаемого тел,

, F

- площади облучаемого и облучающего тел системы,

294

и β

- соответствующие углы между нормалью к одной пло-

щадке и направлением на другую.

Достаточно корректным является решение задачи определения угло-

вого коэффициента F

через факторы облученности в вертикальной и гори-

зонтальной плоскостях [13]:

FFF +=

(14.2.9)

где F

, F

- факторы облученности в вертикальной и горизонтальной

плоскости соответственно.

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅−

−⋅+

⋅

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅⋅=

)1()1(

arctg

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅−

−⋅+

⋅

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅−

−⋅+

⋅

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅=

)1()1(

arctg

(14.2.10)

⋅

(

)

⋅

(14.2.11)

Интенсивность теплового облучения q (плотность теплового потока),

как один из основных параметров поражающего действия горящих нефте-

продуктов в составе аргументов содержит интенсивность Е теплового из-

лучения пламени.

Определение интенсивности теплового излучения факела пламени

является чрезвычайно сложной задачей. Вклад в мощность тепловой эмис-

сии пламени вносят как газообразные продукты сгорания (пары воды,

окись и двуокись углерода), испускающие энергию на определенных дли-

нах волн, так и частицы сажи, для которых характерно излучение во всем

спектральном диапазоне.

В опытах с использованием узкоугольных и широкоугольных радио-

метров установлено, что часто используемые значения плотности излуче-

ния 110…130 кВт/м

представляют для бензина и керосина максимальные

значения. В опытах с этими нефтепродуктами определено, что ярко светя-

щиеся зоны с указанной интенсивностью и температурой 1150 К в среднем

занимают лишь 20% площади поверхности пламени.

Остальную часть занимают затененные дымом и сажей зоны с плот-

ностью излучения с поверхности пламени около 20 кВт/м

и средней тем-

пературой около 800 К.

При горении нефти или дизельного топлива температура пламени

принимается равной 1050 К, а максимальное значение тепловой эмиссии

яркой части пламени составляет примерно 80…100 кВт/м

С учетом этих исследований среднее значение плотности поверхно-

стного излучения пламени определяется соотношением:

295

ДЯ

ЕЕЕ ⋅

⋅= 8.02.0

(14.2.12)

где Е

, Е

- интенсивность теплового излучения яркой и задымлен-

ной части пламени соответственно.

Например, при горении бензина или керосина яркостная часть пла-

мени выделяет с квадратного метра Е

= 130 кВт/м

с учетом экранирующего эффекта задымления, где выделяется с

квадратного метра Е

= 20 кВт/м

, среднее по поверхности пламени значе-

ние интенсивности теплового излучения будет равно

/421302.0208.02.08.0 мкВтЕЕЕ

ЯДСР

=⋅+⋅=⋅+⋅=

Результаты расчетов изменения падающего теплового потока с рас-

стоянием при горении бензина с учетом и без учета экранирующего эф-

фекта задымления пламени представлены на рис. 14.2.1, для горящей неф-

ти - на рис. 14.2.2.

Рис. 14.2.1. Изменение интенсивности теплового облучения при го-

рении бензина на площади 314 м

, при скорости выгорания 70⋅10

-3

кг/м

⋅с,

для случая учета (q) эффекта задымления (Е = 42 кВт/м

) и без учета за-

дымления (q1) пламени (Е = 130 кВт/м

). Расчетная высота пламени при

этом составила 29.3 м. Расчеты выполнены по программе Pognef.

15 20 25 30 35 40 45 50

Расстояние, м

Тепловой поток, кВт/кв.м

q, кВт/кв.м

q1,кт/кв.м

296

Рис. 14.2.2. Изменение интенсивности теплового потока при возго-

рании нефти на площади 1000 м

без учета задымления пламени (q) при

E=69 кВт/м

и с учетом задымления (q2) при E=29.8 кВт/м

. (Е=0.8⋅20

+0.2

⋅69=29.8 кВт/м

В дальнейшее используем рекомендации по значению тепловой

эмиссии нефтепродуктов, выданные НПБ 105-03 и ГОСТ Р 12.3.047-98 и

представленные в табл. 14.2.1.

Таблица 14.2.1

Среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени в за-

висимости от диаметра очага и удельная массовая скорость V

выгорания

для некоторых жидких углеводородных топлив [13, 32].

Е, кВт ⋅ м

-2

Топливо

d= 10 м d= 20 м d= 30 м d= 40 м d= 50 м

КГ⋅М

-2

⋅с

-1

CПГ (Метан) 220 180 150 130 120 0,08

СУГ

(Пропан-бутан)

80 63 50 43 40 0,10

Бензин 60 47 35 28 25 0,06…0.07

Дизельное

топливо

40 32 25 21 18 0,04

Нефть 25 19 15 12 10 0,04

Примечание. Для диаметров очагов менее 10 м или более 50 м следует принимать ве-

личину

такой же, как и для очагов, диаметром 10 м и 50 м соответственно

Для расчета поражающего действия теплового излучения при горе-

нии нефти или нефтепродуктов нормы НПБ 105-03 рекомендуют исполь-

зование критических значений плотности падающего теплового потока,

значения которых приведены в табл. 14.2.2 [13], [15].

Однако с этими рекомендациями трудно согласиться по следующим

соображениям.

20 25 30 35 40 45 50 55 60

Расстояние, м

Плотность теплового потока,

кВт/кв.м

297

Количество тепла, излучаемого в единицу времени и воздействующе-

го на ту или иную поверхность, пропорционально площади пламени, его

температуре в четвертой степени и обратно пропорционально квадрату

расстояния, на котором находится рассматриваемая поверхность.

Высота пламени при разливе нефтепродуктов и горючих жидкостей

на твердых поверхностях, как правило, не превосходит 10…30 м. Длина

пламени принимается равной эффективному диаметру лужи растекающе-

гося нефтепродукта. Интегральное количество тепла, приходящегося на

облучаемую мишень, кроме того, зависит от времени воздействия теплово-

го потока.

Таблица 14.2.2.

Критические значения плотности падающего теплового потока, кВт/м

Материалы q

кр ,

кВт/м

Древесина (сосна, влажность 12%) 13.9

Древесина (стружечные плиты плотностью 417 кг/м

) 8.3

Торф брикетный 13.2

Торф кусковой 9.8

Хлопок-волокно 7.5

Слоистый пластик 15.4

Стеклопластик 15.3

Пергамин 17.4

Резина 14.8

Уголь 35.0

Рулонная кровля 17.4

Сено, солома (влажность до 8%) 7.0

Кожа искусственная ТУ 17-21-488-84, ТУ 17-21-328-80 20.0

Линолеум ПХВ однослойный 10.0

Линолеум ПХВ марки ТТН-2, ТУ 21-29-5-69 12.0

ЛВЖ и ГЖ с температурой самовоспламенения до 300°С

12.1

ЛВЖ и ГЖ с температурой самовоспламенения до 350°С

15.5

ЛВЖ и ГЖ с температурой самовоспламенения до 400°С

19.9

ЛВЖ и ГЖ с температурой самовоспламенения 500°С и выше

28.0

Таблица 14.2.3.

Пороговые значения тепловых потоков и их зависимость от времени

облучения для некоторых материалов.

Продолжительность облучения, Материал

180 с 300 с 900 с

Древесина (сосна, 12% влажность, шероховатая) 20.9 17.5 12.9

Древесина, крашенная светлой масляной краской 26.5 23.2 17.5

Хлопок-волокно 11.2 9.7 7.4

298

Слоистый пластик 21.6 19.1 15.3

Стеклопластик 19.4 18.7 15.3

Пергамин 19.4 18.7 15.3

Жидкости с температурой кипения:

до 520 К 26.1 21.6 16.8

520…570 К 34.9 26.0 20.9

570…620 К 35.6 31.4 24.4

620… 670 К и более 39.8 35.6 27.9

Одна из зависимостей порогового значения плотности теплового по-

тока от времени облучения, приводящего к возгоранию некоторых мате-

риалов, приведена в табл. 14.2.3 [28]. Аппроксимация данных, приведен-

ных в табл. 14.1.3 с точностью, достаточной для инженерных оценок, име-

ет следующий вид для t

∈[100 c, 1000 c].

Древесина шероховатая, влажность до 12%:

/01.07.21 мкВтtq ⋅−=

(14.2.13)

Древесина крашенная светлой масляной краской:

/0115.07.27 мкВтtq ⋅−=

(14.2.14)

Хлопок - волокно:

/0048.065.11 мкВтtq ⋅−=

(14.2.15)

Стеклопластик:

/00568.041.20 мкВтtq ⋅−=

(14.2.16)

Жидкости с температурой кипения до 520 К (большинство нефте-

продуктов):

/0113.071.26 мкВтtq ⋅−=

(14.2.17)

Жидкости с температурой кипения 520…570 К:

/00159.058.34 мкВтtq ⋅−=

(14.2.18)

Жидкости с температурой кипения 570…620 К:

/0143.005.37 мкВтtq ⋅−=

(14.2.19)

Жидкости с температурой кипения 620…670 К и более:

/0153.049.41 мкВтtq ⋅−=

(14.2.20)

299

Рис. 14.2.3. Результаты расчетов зависимости интенсивности тепло-

вых потоков, критических для возгорания некрашеной древесины (q1,

формула (14.2.13)), хлопка-волокна (q2, формула (14.2.15)), бензина с тем-

пературой кипения 330

°С (q3, формула (14.2.19)) от времени воздействия

теплового потока.

Анализ приведенных выше данных о критических и пороговых зна-

чениях падающего теплового потока показывает, что критические значе-

ния следует воспринимать как минимальные значения плотности падаю-

щего теплового потока, начиная с которых возможно возгорание данного

вещества при экспозиции (времени непрерывного воздействия), превы-

шающей 15 мин. В

случае облучения в течение времени менее 900 с (15

мин) значение плотности падающего теплового потока возрастает в обрат-

но пропорциональной зависимости от времени.

Пороговые значения теплового потока, вызывающие воспламенение

веществ или поражение человека, животных зависят от времени воздейст-

вия тепла, т.е. от поглощенной тепловой энергии, дозы. Некоторые из этих

значений приведены

в табл. 14.2.3.

Кроме того, необходимо отметить, что интегральное значение тепло-

вой энергии, передаваемой веществу для его воспламенения (как произве-

дение времени экспозиции на плотность падающего теплового потока), не

остается постоянной при различных тепловых потоках и различной экспо-

зиции.

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Время воздействия , с

Тепловой поток, кВт/ кв. м

q1, кВт/кв.м

q2, кВт/кв. м

q3, кВт/кв. м

300

Следует также иметь в виду, что энергия, необходимая для воспла-

менения конкретного вещества, зависит от его температуры и состояния

атмосферы (давления, влажности и т.д.).

Поражение человека тепловой радиацией горящих нефтепродук-

тов.

Наиболее трудоемкой является задача определения поражающего

действия теплового потока на человека вследствие расхождения в значени-

ях опубликованных экспериментальных данных, разночтения в критериях

и обилия различных методических подходов.

Поражающее действие тепловой радиации на человека при сгорании

углеводородов вследствие их аварийных выбросов и дефлаграционных

взрывов оцениваются по различным критериям, превалирующим среди

которых

является величина теплового потока q(r).

Степень поражающего действия теплового облучения на человека

можно определить по значению параметра J [29]:

trqJ ⋅=

)(

(14.2.21)

где q(r) - падающий на тело человека тепловой поток, Вт/м

;

t - время теплового облучения, с,

r - расстояние между центром пламени и человеком, м.

Например, для фиксированного расстояния r при плотности теплово-

го потока g(r)=10 000 Вт/м

и времени облучения 15 с значение критерия J

составит:

()

смВтJ ⋅⋅≈=⋅=⋅=

/1023.303.32316521546.2154431510000

В некоторых нормативных документах, например [29], встречаются

рекомендации по оценке степени поражения человека тепловым облучени-

ем с помощью так называемого индекса поражения:

)(60 rqJ ⋅=

(14.2.22)

где q(r) - плотность теплового потока, Вт/м

⋅с.

Легко заметить, что выражение (14.2.22) представляет собой

(14.1.21) за время воздействия теплового излучения в течение одной мину-

ты.

Приведенные выше подходы к оценке воздействия теплового излу-

чения устарели.Как правило, различают три степени поражения человека

тепловой радиацией.

Первая степень соответствует ожогу кожи на глубину до 0.12 мм,

вторая степень поражения соответствует ожогу

кожи на глубину до 2 мм,

третья степень поражения соответствует ожогу кожи на глубину более 2

мм.