Яковлев В.В. Экологическая безопасность, оценка риска

Подождите немного. Документ загружается.

301

Критические значения параметра J для различных степеней пораже-

ния человека [29] приведены в табл. 14.2.4. В той же таблице приведены

соответствующие критические значения теплового потока q , кВт/м

, рас-

считанные для времени облучения 60 с.

Таблица 14.2.4.

Безопасные и поражающие значения параметра J при времени облу-

чения человека 60 с, и соответствующие значения теплового потока q.

1 степень поражения 2 степень поражения 3 степень поражения

безопасное

поражающее

безопасное

поражающее

безопасное

поражающее

1⋅10

(Вт/м

)

4 / 3

⋅ с

1⋅10

(Вт/м

)

4 / 3

⋅ с

0.3⋅10

(Вт/м

)

4 / 3

⋅ с

2.5⋅10

(Вт/м

)

4 / 3

⋅ с

0.7⋅10

(Вт/м

)

4 / 3

⋅ с

4⋅10

(Вт/м

)

4 / 3

⋅ с

безопасное

поражающее

безопасное

поражающее

безопасное

поражающее

1.47

кВт/м

8.2

кВт/м

3.3

кВт/м

16.4

кВт/м

6.3

кВт/м

23.3

кВт/м

Таким образом, полученное значение J=3.23⋅10

[(Вт/м

)

4 / 3

⋅с] пока-

зателя теплового воздействия немного превышает безопасное для пораже-

ния второй степени, но следует полагать, что при таких условиях облуче-

ния поражение первой степени неизбежно, второй и третьей - практически

невозможно.

По другим источникам воздействие тепловой радиации на человека

несколько иное и представлено в табл. 14.2.5.

Таблица 14.2.5.

Действие теплового излучения на человека

кВт/м

Наблюдаемый эффект

0.67 Эффект аналогичен действию солнечного излучения летом на широте

Великобритании

1.4 Максимальное безопасное значение при неопределенно долгом воздей-

ствии на кожу.

6.4 Боль спустя 8 с после начала воздействия на кожу.

10.4 Боль спустя 3 с после воздействия на кожу.

16.0 Появление волдырей на коже спустя 5 с после начала воздействия.

Для сравнения изложенных выше подходов к оценке поражения че-

ловека тепловым излучением рассмотрим простой пример.

Пример 14.2.1.

Определить вероятность поражения человека при действии теплово-

го потока q = 20 000 Вт/м

в течение времени от 10 до 60 с.

Решение.

Расчет вероятности поражения человека произведем на основе ис-

пользования методики построения координатного закона поражения [22]

для нормального закона распределения случайной величины, которой, ес-

тественно, является плотность падающего теплового потока.

302

Математические ожидания тепловых потоков, соответствующих раз-

личной степени ожогов согласно табл. 14.2.4:

степеньтретьямкВтm

степеньвтораямкВтm

степеньперваямкВтm

;/8.14

3.233.6

;/85.9

4.163.3

;/835.4

2.847.1

Соответствующие среднеквадратические отклонения:

/83.2

3.63.23

/18.2

3.34.16

/12.1

47.12.8

мкВт

−

Нормированные отклонения:

mtq

−

)(

Значения вспомогательной функции F(

⎮z⎮):

()

(

)

(

)

)(8.0)(7.0exp15.0,

tztztzF

iiii

⋅−⋅−−⋅=

Вероятность w(q,t) поражения человека тепловым потоком q, дейст-

вующим в течение времени t

∈[0, 60 c]:

0)(),(5.0),(

<−=

>+=

tzприtzFtqw

iiii

100

10 20 30 40 50 60

Время экспозиции, с

Вероятность поражения, %

w1, %

w2, %

w3, %

303

Рис. 14.2.4. Решение примера 14.2.1. Вероятность поражения челове-

ка тепловым облучением первой (w1), второй (w2) и третьей (w3) степени

при падающем на тело тепловом потоке 20 000 Вт/м

по критериям, приве-

денным в табл. 14.2.21.

Значение индекса (14.1.22) при этом составит:

()

10257.32000060 ⋅≅⋅=J

(Вт/м

)

4 / 3

⋅с,

что лишний раз подтверждает необходимость учета времени облучения.

Наиболее корректным представляется решение задачи о поражаю-

щем действии тепловой радиации на человека с использованием критериев

интегральной величины тепла, полученного телом человека за время облу-

чения.

В работе [29] приведены критерии поражения человека тепловым

облучением, представленные в табл. 14.2.6, при этом интегральный пока-

затель

),( rtQ рассчитывается как произведение плотности теплового пото-

ка на конкретное время облучения, т.е. рассчитывается удельная (приве-

денная к 1 м

) тепловая энергия, полученная телом человека за время об-

лучения:

trqrtQ ⋅= )(),(

(14.2.23)

где

),( rtQ - тепловая энергия, приходящаяся на единицу площади те-

ла человека за время t на расстоянии r от центра пожара, кДж/м

;

q(r) - плотность падающего теплового потока на расстоянии r от

центра пожара, кВт/м

;

t - время облучения, с.

Таблица 14.2.6.

Интегральные критерии поражения человека тепловым облучением.

Степень

ожога

Q , кДж/м

Характер поражения и последствия

Первая 80…500 Покраснение и припухлость ко-

жи. Ожоги быстро заживают.

Работоспособность не

теряется.

Вторая 200…1000 Образование пузырей, напол-

ненных жидкостью. Требуется

лечение.

Потеря работоспо-

собности. Санитар-

ные потери.

Третья 400…1400 Полное разрушение кожного

покрова, образование язв. Тре-

буется госпитализация.

Длительная потеря

работоспособности.

Санитарные потери.

Четвертая Более

1400

Омертвление кожной клетчатки,

мышц и костей, обугливание.

Обязательная госпитализация.

Возможен летальный

исход. Безвозвратные

потери.

304

Рис. 14.2.5. Изменение вероятности поражения человека ожогом

различной степени при действии теплового потока 20 кВт/м

, по критери-

ям, приведенным в табл. 14.2.6.

Термическое воздействие на человека связано с прогревом и после-

дующими биохимическими изменениями верхних слоев кожного покрова.

По данным Биттнера [34] человек ощущает сильную, едва переносимую

боль, когда температура верхнего слоя кожного покрова (

∼0.1 мм) превы-

шает 45

°С. Время достижения «порога боли» связано с интенсивностью

теплового воздействия зависимостью:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(14.2.24)

где t – время достижения «порога боли», с;

q – интенсивность действующего теплового потока, кВт/м

Степень поражения кожи при воздействии высоких температур зави-

сит от величины и длительности теплового облучения. При относительно

слабом тепловом излучении будет повреждаться только верхний слой (эпи-

дермис) на глубину

∼ 1 мм. Более интенсивный тепловой поток может при-

вести к поражению не только эпидермиса, но и дермы (нижний слой), а из-

лучение еще большей интенсивности будет воздействовать и на подкож-

ный слой. Эти уровни качественно соответствуют установленным катего-

риям ожогов I-й, II-й и III-й степеней.

Установлено, что при длительном тепловом воздействии

интенсив-

ностью 1.4 кВт/м

…1.7 кВт/м

человеком боль не ощущается.

При достижении поверхностным покровом кожи температуры 55

°С

появляются волдыри (ожог второй степени). По данным А. Мента [34] тя-

жесть ожога при этом зависит от количества энергии, поглощенной кож-

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

40 45 50 55 60

Время облучения, с

Вероятность поражения

1 степень

2 степень

3 степень

4 степень

305

ным покровом после достижения температуры 55°С. Если это количество

энергии достигает 42 кДж/м

– воздействие характеризуется умеренным

ожогом второй степени, при достижении 84 кДж/м

– тяжелым ожогом

второй степени, при 162 кДж/м

тяжелым ожогом третьей степени.

Важным показателем является уровень теплового воздействия, при

котором становится вероятным смертельный исход. По данным К. Мьюде-

на [34] здоровые взрослые люди и подростки выживают при ожогах второй

степени, охватывающих менее 20% поверхности тела. Выживаемость рез-

ко снижается даже при своевременной интенсивной медицинской помощи,

если ожоги второй и третьей

степени охватывают 50% и более поверхно-

сти тела человека.

Процентное соотношение поверхностей тела человека [34]:

•

голова 7%;

•

руки от кисти до плеча 14%;

•

кисти рук 5%.

Основным фактором поражения человека при воздействии тепловой

радиации является доза, т.е. количество энергии, поглощенной телом.

Известно, что одна и та же доза может вызвать у разных людей раз-

личную реакцию, различную степень поражения. Следовательно, эффект

поражения носит вероятностный характер. Значение вероятности W пора-

жения определяется [13, 32, 33, 34] функцией Гаусса (функцией ошибок

dteW

∫

∞−

−

⋅

(14.2.25)

где верхний предел интеграла является значением так называемой «про-

бит-функцией», отображающей связь между вероятностью поражения и

поглощенной дозой.

«Пробит-функция» в общем случае имеет вид:

(

)

DbaP

ln⋅+=

, (14.2.26)

где a, b – константы для каждого вещества и каждого процесса, ха-

рактеризующие специфику и меру опасности его воздействия;

D – поглощенная субъектом доза воздействующего фактора.

Следует отметить практический прием проверки правильности ис-

пользования констант «пробит-функции». Если при подстановке в уравне-

ние для «пробит-функции» известных констант получается значение веро-

ятности W = 0.5 при значении P

= 5, то плотность распределения вероят-

ностей нормального закона выбрана правильно (с математическим ожида-

нием 5 и средним квадратическим отклонением, равным единице).

Согласно рекомендациям НПБ 105-03 и ГОСТ Р 12.3.047-98 вероят-

ность смертельного исхода при тепловом воздействии определятся через

«пробит-функцию», связанную с интенсивностью излучения и длительно-

стью облучения:

306

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅+−= tqtqP

ln56.25.14),(

(14.2.27)

где t – эффективное время экспозиции, с;

q – плотность падающего теплового потока, кВт/м

Эффективное время теплового облучения для пожаров разлития неф-

тепродуктов определяется соотношением:

tt +=

, (14.2.28)

где t

– характерное время обнаружения пожара, время шока при не-

ожиданной вспышке лужи разлитого нефтепродукта (1…5 с);

v – скорость движения человека от пожара (допускается 5 м/с);

х – расстояние от места нахождения человека до места, на кото-

ром человек прекращает ощущать боль теплового воздействия (расстоя-

ние, на котором q

≤ 1.4 кВт/м

Пример 14.2.2.

Произошло разлитие бензина и его возгорание на площади 1256.6 м

(радиус «лужи» 20 м, тепловая эмиссия пламени согласно табл. 14.2.1 рав-

на Е=47 кВт/м

), время шокового состояния t

=5c, скорость движения че-

ловека от границы очага пожара до расстояния, на котором интенсивность

падающего теплового потока составит 1.4 кВт/м

, равна 5 м/с.

Решение.

Определение расстояния, на котором реализуется безопасный тепло-

вой поток q

без

=1.4 кВт/м

20 30 40 50 60 70

Расстояние, м

Плотность теплового потока,

кВт/кв.м

Рис. 14.2.6. Изменение теплового потока с расстоянием. 1.4 кВт/м

реализуется на расстоянии

≈ 69 м.

307

Из приведенных на рис. 14.2.6 расчетов следует, что человеку необ-

ходимо преодолеть расстояние 69 м, что займет:

ct 8.13

С учетом времени шокового состояния (5 с) общее время нахожде-

ния человека под воздействием теплового облучения составит 18.8 с.

Тогда, в соответствии с (14.2.27), принимая плотность потока на гра-

нице очага пожара q=26.27 кВт/м

, имеем:

()

14.464.185.14)8.1824.77ln(56.25.14

8.1827.26ln56.25.14ln56.25.14),(

33.1

=+−=⋅⋅+−=

=⋅⋅+−=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅+−= tqtqP

Этому значению «пробит-функции» соответствует согласно [13, 33]

вероятность смертельного поражения человека 0.195.

В строгой постановке задачи примера 14.2.2 необходимо было бы

учитывать снижение интенсивности теплового излучения с расстоянием

(по мере удаления человека от границы пламени), но ни НПБ 105-03, ни

РД 03-409-01, ни ГОСТ Р 12.3.047-98 не дают разъяснения по выбору ко-

эффициентов «пробит-функции», т.

е. вопрос об учете указанной особенно-

сти остается открытым.

На рис. 14.2.7 приведена кривая изменения вероятности поражения

человека тепловым облучением при воздействии потока интенсивностью

20 кВт/м

в течение времени от 40 до 60 с. (без учета движения человека от

очага пожара).

40 44 48 52 56 60

0.5

0.58

0.66

0.74

0.82

0.9

Wt()

Рис. 14.2.7. Изменение вероятности поражения человека тепловым

потоком 20 кВт/м

, рассчитанной с помощью «пробит-функции».

308

Подводя итог изложенному, можно заключить, что наиболее прием-

лемой остается вероятностная оценка результатов воздействия теплового

излучения на человека при горении нефтепродуктов. При этом основным

физическим параметром является показатель количества (дозы) тепла, вос-

принятого телом человека, а основным методом оценки

последствий - ме-

тод, основанный на применении «пробит-функции».

Алгоритм оценки воздействия на человека поражающих факторов

пожара разлития или пожара резервуара хранения нефтепродуктов сводит-

ся к следующему.

Пожар разлития нефтепродуктов.

Рассчитывается площадь растекания нефтепродукта по методике

НПБ 105-03.

Определяется мощность тепловой эмиссии пламени горящего

нефтепродукта по рекомендациям ГОСТ Р 12.3.047-98.

Задается безопасное значение теплового потока (1.4 кВт/м

Рассчитываются угловой коэффициент облучения и теплопровод-

ность воздуха как функции расстояния.

Определяется расстояние, на котором реализуется безопасное зна-

чение теплового потока.

Для заданного безопасного расстояния рассчитывается время воз-

действия теплового потока.

По данным о времени облучения, безопасным и поражающим

значениям плотности теплового потока определяется вероятность пораже-

ния либо с помощью алгоритма, изложенного в [22], либо на основе «про-

бит-функции», рекомендованной действующими нормативными докумен-

тами, например, [13, 33].

При решении задачи о воздействии пожара в резервуарах хранения

нефтепродуктов алгоритм отличается от изложенного выше только в

части

определения мощности тепловой эмиссии пламени и учета влияния на эту

величину диаметра резервуара.

14.3. Оценка воздействия тепловой радиации «огненного шара».

Огненный шар представляет собой интенсивное диффузионное горе-

ние, характерное для газовоздушных смесей, образующихся при резкой

разгерметизации емкостей, хранящих горючие газы под давлением.

Интенсивность теплового излучения

q, кВт⋅м

-2

, для “огненного ша-

ра” вычисляют по методике [13, 32].

Поток теплового излучения q, кВт/м

, падающий с поверхности ог-

ненного шара на мишень, определяется по формуле:

TFEq ⋅⋅=

(14.3.1)

где Е – мощность поверхностной эмиссии огненного шара, кВт/м

– коэффициент теплопроводности воздуха,

309

F – коэффициент, учитывающий фактор угла падения теплового

излучения на мишень.

Величину тепловой эмиссии пламени Е определяют на основе

имеющихся экспериментальных данных. Для газовоздушных смесей до-

пускается принимать Е равной 450 кВт/м

Значение углового коэффициента F вычисляют по формуле

(14.3.2)

где Н - высота центра “огненного шара”, м;

- эффективный диаметр “огненного шара”, м;

r - расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности

земли непосредственно под центром “огненного шара”, м.

Эффективный диаметр “огненного шара” D

определяют по формуле:

= 5,33⋅m

0,327

, (14.3.3)

где m - масса горючего вещества, кг.

Величина Н определяется в ходе специальных исследований. Допус-

кается принимать величину Н равной D

/2.

Время существования “огненного шара” t

, с, определяется по фор-

муле:

= 0,92⋅m

0,303

. (14.3.4)

Коэффициент пропускания атмосферы

τ рассчитывается по формуле:

[

]

)2/(100,7exp

224

DHr −+⋅⋅−=

−

. (14.3.5)

Существуют различные подходы к оценке тепловой радиации «ог-

ненного шара», наиболее простым представителем среди которых призна-

ется методика компании Dow Chemical США.

Согласно этой методике [29] при выбросах сжиженного нефтяного

газа из емкостей расчетные зависимости сводятся к следующим выражени-

ям.

Радиус «огненного шара» R

, м:

29 MR ⋅=

(14.3.6)

Время существования «огненного шара» t

, с:

5.4 Mt

⋅=

(14.3.7)

В формулах (14.3.6), (14.3.7):

М – половина вместимости аварийной емкости по массе, т.

При групповой аварии нескольких резервуаров за величину М при-

нимается 90% общей их вместимости.

В работах Бейкера приведены иные зависимости для расчета радиуса

«огненного шара» и времени t

его существования:

[ ]

)/()

5, 0/( 4

5,0/

5,1

++⋅

310

βα

MtMR

⋅Ψ=⋅Ψ⋅=

210

,5.0

(14.3.8)

где

= 3.76…3.86,

= 0.258…0.299

α = 0.325…0.320,

β = 0.349…0.320

М – масса испарившегося в атмосферу газа, кг.

Изменение радиуса «огненного шара» во времени по Бейкеру опре-

деляется выражениями:

⋅

11.1

3.44

(14.3.9)

RR ⋅=

(14.3.10)

tt ⋅⋅=

−

(14.3.11)

где Т – температура «огненного шара», К.

Практическое применение методики Бейкера затруднено выбором

конкретных значений коэффициентов

α, β, Ψ

, Ψ

из приведенных выше

диапазонов для конкретного продукта, формирующего «огненный шар».

Методика Dow Chemical рекомендует принимать следующие значе-

ния мощности поверхностной эмиссии огненного шара: при авариях с ре-

зервуарами горизонтальной и вертикальной формы Е = 270 кВт/м

, при

авариях с сосудами шарообразной формы Е = 200 кВт/м

Отечественные разработки по оценке интенсивности теплового из-

лучения «огненного шара» рекомендуют значение поверхностной эмиссии

определять на основе учета физических характеристик конкретной горю-

чей компоненты.

Коэффициент F, учитывающий разную направленность углов паде-

ния теплового излучения на мишень вычисляется по формуле:

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⋅

(14.3.12)

где R

> R

– расстояние по горизонтали между центром огненного

шара и мишенью при радиусе огненного шара R

Коэффициент теплопроводности воздуха вычисляется по формуле:

ln058.01 ⋅−=

(14.3.13)

Импульс теплового излучения (тепловая доза) определяется выраже-

нием:

tqQ ⋅=

(14.3.14)