Яковлев В.В. Экологическая безопасность, оценка риска

Подождите немного. Документ загружается.

311

Сравнение значений угловых коэффициентов облученности, коэф-

фициентов теплопроводности воздуха и интенсивности теплового облуче-

ния, рассчитанных по изложенным выше методикам приведено на рис.

14.3.1, рис. 14.3.2, рис. 14.3.3. Вычисления выполнялись для радиуса «ог-

ненного шара» R

=120 м, при его высоте Н=300 м.

Рис. 14.3.1. Изменение углового коэффициента облученности F с рас-

стоянием от центра «огненного шара».

Рис. 14.3.2. Сравнение значений коэффициента теплопроводности

воздуха, рассчитанных по формулам (14.3.5) и (14.3.13).

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

300 400 500 600 700 800

Расстояние, м

Значение коэффициента F

(14.3.12)

(14.3.2)

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

300 400 500 600 700 800

Расстояние, м

Коэффициент теплопроводности

(14.3.5)

(14.3.13)

312

Рис. 14.3.3. Сравнение значений интенсивности теплового излучения, рас-

считанных по методике Dow Chemical (пунктир) и по методике [13].

Как видно из графиков рис. 14.3.1, рис. 14.3.2, рис. 14.3.3 методика

[13] дает несколько заниженные результаты, что более соответствует ре-

альности, в сравнении с результатами, полученными по методике Dow

Chemical.

Пример 14.3.1.

Определение поражающих факторов огненного шара при аварийном

вскрытии железнодорожной цистерны, заполненной на 90% сжиженным

пропаном.

Постановка задачи.

Произошла авария с железнодорожной цистерной объемом 70 м

, за-

полненной сжиженным пропаном на 90 %. По условиям местности и ме-

теоусловиям формирование облака произошло с переобогащением горю-

чей компонентой. Реализовались условия возгорания облака с образовани-

ем огненного шара.

Требуется определить изменение потока теплового излучения q и

импульса Q в зависимости от расстояния R.

Решение на основе использования методики Dow Chemical.

Масса освободившегося при аварии газа составляет:

тМ 632.165.0264.339.070528.05.0

⋅

=⋅

⋅

⋅= .

Радиус «огненного шара»:

02.74632.1629

=⋅=R

м.

300 400 500 600 700 800

Расстояние, м

Тепловой поток, кВт/кв.м

Dow

[13]

313

Время существования «огненного шара»:

= 49.11632.165.4

=⋅ с.

Мощность тепловой эмиссии «огненного шара» для емкости по фор-

ме, отличной от шарообразной, составляет (Dow Chemical) Е=270 кВт/м

Результаты расчета теплового потока и импульса приведены в табл. 14.3.1.

Таблица 14.3.1.

Результаты расчета значений поражающих факторов «огненного шара».

Расстояние R, м Тепловой поток q,

кВт/м

Импульс излучения Q,

кДж/м

50 80.23 921.6

100 56.3 646.7

150 33.6 386.4

200 21.1 242.7

250 14.2 162.9

300 10.1 115.6

350 7.47 85.8

400 5.74 65.9

450 4.53 52.1

500 3.66 42.1

Поражающее воздействие «огненного шара» на различные материа-

лы зависит от интенсивности теплового излучения и длительности воздей-

ствия тепла. В табл. 14.3.2 приведены данные поражающего действия теп-

лового излучения различной интенсивности.

Степень поражения людей (процент потерь населения) от действия

тепловой радиации при дефлаграционных взрывах ГВС можно оценить по

величине теплового потока q и экспозиции

, совпадающее с временем

существования «огненного шара».

При таком подходе вычисляется так называемый комплексный пока-

затель

λ=q

4/3

⋅t

, (Вт/м

)

4/3

⋅с. Первой степени поражения соответствуют ожо-

ги кожи на глубину менее 0.12 мм, второй степени - менее 2

мм, третьей

степени поражения соответствуют ожоги кожи на глубину более 2 мм.

Зависимость доли поражения тепловой радиацией людей, находя-

щихся в зоне теплового облучения без защитной одежды, представлена на

рис. 14.3.4.

Таблица 14.3.2.

Действие интенсивности теплового излучения.

Степень поражения Интенсивность излучения , кВт/м

Без негативных последствий для человека в тече-

ние длительного времени воздействия

1.4

Безопасное для человека в брезентовой одежде 4.2

Непереносимая боль через 20…30 с

Ожог первой степени через 15…20 с

Ожог второй степени через 30…40 с

7.0

314

Степень поражения Интенсивность излучения , кВт/м

Воспламенение хлопка-волокна

Непереносимая боль через 3…5 с

Ожог первой степени через 3…5 с

Ожог второй степени через 12…16 с

10.5

Воспламенение древесины с шероховатой поверх-

ностью при длительности облучения не менее 15

мин

12.9

Воспламенение древесины, окрашенной масляной

краской, воспламенение фанеры

17.0

Воспламенение нефтепродуктов 27.9

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,00E+06 2,00E+06 3,00E+06 5,00E+06 1,00E+07 2,00E+07 3,00E+07 5,00E+07

Комплексный параметр

Доля пораженных

1-я степень

2-я степень

3-я степень

Рис. 14.3.4. Зависимость доли пораженных тепловым облучением

людей, находившихся в зоне теплового воздействия огненного шара.

14.4. Взрывное горение паровоздушных и газовоздушных смесей.

На основе Методики оценки последствий аварийных взрывов топливно-

воздушных смесей (ТВС) (РД 03-409-01), введенной в действие постановлением Гос-

гортехнадзора России от 26.06.01 № 25.

Общие положения.

Методика предназначена для количественной оценки параметров

воздушной ударной волны (ВУВ) при взрывах ТВС и ее воздействия, а

также воздействие тепла при горении ТВС.

Методика позволяет определить вероятности поражения человека и

объектов (зданий) при авариях с выходом ТВС.

Некоторые положения и зависимости методики скорректированы с

учетом опечаток и разночтений с иными документами

[13, 30, 31, 32, 33].

315

Исходными данными для расчета параметров ударных волн и их воз-

действия являются:

физико-химические характеристики горючего вещества, содержаще-

гося в облаке ТВС;

агрегатное состояние облака ТВС (газовое или гетерогенное);

средняя концентрация горючего вещества в смеси С

;

стехиометрическая концентрация смеси С

СТ

;

масса горючего вещества, содержащегося в облаке М

(если эта вели-

чина неизвестна, то ее расчет производится по рекомендациям [29]);

удельная теплота сгорания горючего вещества q

;

состояние окружающего пространства.

Расчет потенциальной энергии ТВС.

Эффективный энергозапас горючей смеси с воздухом определяется

соотношением:

СТГ

СТГГ

СТГГГ

ССпри

CqM

ССприqME

⋅⋅

≤

⋅=

(14.4.1)

При расчете параметров облака, лежащего на поверхности земли, ве-

личина эффективного энергозапаса удваивается. Для оценки объема облака

ТВС можно воспользоваться методикой, изложенной в [22] или простым

соотношением:

СТ

V =

(14.4.2)

В случае, когда определение концентрации горючего вещества в

смеси затруднено, в качестве С

принимается значение нижнего концен-

трационного предела воспламенения горючего газа.

Теплота сгорания q

является справочной характеристикой горючего

вещества. Допускается приближенная оценка величины q

по формуле:

кгМДжq

/44

⋅=

(14.4.3)

где коэффициент

β определяется по данным табл. 14.4.1.

Таблица 14.4.1.

Классификация некоторых горючих веществ по степени чувстви-

тельности.

Класс 1 Класс 2 Класс 3 Класс 4

Особо чувстви-

тельные. (Размер

детонационной

ячейки менее 2 см).

Чувствительные.

(Размер детонаци-

онной ячейки от 2

до 10 см).

Средне-

чувствительные.

(Размер детонаци-

онной ячейки от 10

до 40 см).

Слабо-

чувствительные.

(Размер детонаци-

онной ячейки более

40 см).

Наименова-

ние

Наименова-

ние

Наименова-

ние

Наименова-

ние

Ацетилен 1.1 Бутан 1.04 Ацетон 0.65 Аммиак 0.42

316

Класс 1 Класс 2 Класс 3 Класс 4

Особо чувстви-

тельные. (Размер

детонационной

ячейки менее 2 см).

Чувствительные.

(Размер детонаци-

онной ячейки от 2

до 10 см).

Средне-

чувствительные.

(Размер детонаци-

онной ячейки от 10

до 40 см).

Слабо-

чувствительные.

(Размер детонаци-

онной ячейки более

40 см).

Водород 2.73 Пропан 1.03 Бензин 1.0 Бензол 0.88

Окись этиле-

на

0.62 ШФЛУ 1.0 Сероводород 0.34 Дизельное

топливо

1.0

Сероуглерод 0.32 Метиловый

спирт

0.52 Керосин 1.0

Этан 1.08 Этиловый

спорт

0.62 Метан 1.14

Этилен 1.07 Нафталин 0.91

Окись угле-

роды

0.23

Фенол 0.92

Дихлорэтан 0.25

Сжиженный

природный

газ

1.0

* ШФЛУ – широкая фракция легких углеводородов.

Определение ожидаемого режима взрывного превращения ТВС.

Скорость взрывного превращения ТВС существенно зависит от ха-

рактера окружающего пространства. С целью упорядочения подходов к

определению параметров поражающих факторов взрывного горения ТВС

окружающее пространство разделено на четыре вида.

Вид 1. Наличие длинных труб, полостей, каверн, заполненных горю-

чей смесью, при сгорании которой возможно ожидать формирование тур-

булентных струй продуктов сгорания с размером не менее трех размеров

детонационной ячейки данной смеси. Если размер детонационной ячейки

неизвестен, то минимальный характерный размер турбулентных струй

принимается равным:

5 см для веществ 1 класса опасности;

20 см для веществ 2 класса;

50 см для веществ 3 класса;

150 см для веществ 4 класса.

Вид 2. Сильно загроможденное пространство: наличие полузамкну-

тых объемов, высокая плотность размещения технологического оборудо-

вания, лес, большое количество повторяющихся препятствий.

Вид 3. Средне загроможденное пространство: отдельно стоящие тех-

нологические установки, резервуарный парк.

Вид 4. Слабо загроможденное пространство.

317

Известны два основных режима быстропротекающих процессов: де-

тонация и дефлаграция [41].

Для упрощения алгоритмов оценки воздействия поражающих факто-

ров взрывов возможные режимы горения ТВС разделены на шесть диапа-

зонов, в зависимости от скорости распространения фронта горения. При

этом пять режимов приходятся на дефлаграционные взрывы ТВС, по-

скольку характеристики процесса горения со скоростями

фронта меньши-

ми 500 м/с имеют существенные качественные различия.

Ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения ТВС опре-

деляется с помощью табл. 14.4.2. в зависимости от класса горючего веще-

ства и вида окружающего пространства.

Таблица 14.4.2.

Экспертная таблица для определения режима взрывного превраще-

ния ТВС.

Вид окружающего пространства

1 2 3 4

Класс горючего

вещества

Ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения

1 1 1 2 3

2 1 2 3 4

3 2 3 4 5

4 3 4 5 6

Диапазон 1. Детонация или горение со скоростью фронта пламени

500 м/с т более.

Диапазон 2. Дефлаграция, скорость фронта пламени 300…500 м/с.

Диапазон 3. Дефлаграция, скорость фронта пламени 200…300 м/с.

Диапазон 4. Дефлаграция, скорость фронта пламени 150…200 м/с.

Диапазон 2. Дефлаграция, скорость фронта пламени определяется по

формуле:

ГГ

Мv ⋅=

(14.4.4)

где М

– масса горючего вещества в облаке ТВС, кг;

- скорость распространения пламени, м/с.

Диапазон 6. Дефлаграция, скорость фронта пламени определяется

соотношением:

ГГ

Мv ⋅=

(14.4.5)

Оценка агрегатного состояния ТВС.

Для дальнейших расчетов необходимо оценить агрегатное состояние

ТВС.

Предполагается, что смесь гетерогенная, если более 50% топлива со-

держится в облаке в виде капель, в противном случае считается, что смесь

газовая.

318

Провести такие оценки можно исходя из величины давления насы-

щенных паров топлива при данных о температуре и времени формирова-

ния облака.

Для летучих веществ, таких как пропан при температуре +20

°С,

смесь считается газовой, а для веществ с низким значением давления на-

сыщенных паров, например распыл дизельного топлива при той же темпе-

ратуре, смесь считается гетерогенной.

Расчет максимального избыточного давления ∆Р и импульса I

фазы сжатия воздушных ударных волн.

Детонация газовых ТВС.

Для вычисления параметров воздушной ударной волны на заданном

расстоянии R от центра облака рассчитывается соответствующее безраз-

мерное расстояние R

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(14.4.6)

где Е – энергетический потенциал облака ТВС, рассчитанный по (1);

– атмосферное давление, ПА;

R – расстояние от центра облака ТВС, м.

Рассчитываются значения безразмерного давления Р

и безразмерно-

го импульса I

[

]

%10)ln(26.0)ln(66.1124.1)ln(

±⋅−⋅−−=

XXX

RRP

(14.4.7)

Или

[

]

{

}

)ln(26.0)ln(66.1124.1exp

XXX

RRP ⋅−⋅−−=

(14.4.8)

[

]

%15)ln(0096.0)ln(898.04217.3)ln(

±⋅−⋅−−=

XXX

RRI

(14.4.9)

Или

[

]

{

}

)ln(0096.0)ln(898.04217.3exp

XXX

RRI ⋅−⋅−−=

(14.3.10)

Зависимости (7)…(10) справедливы при условии: 0.2 < R

< 24.

В случае, если R

< 0.2, то величина Р

принимается равной 18, а в

выражение (14.4.9) подставляется значение R

= 0.142.

Детонация облака гетерогенной ТВС.

%10

023.0137.0125.0

±++=

(14.4.11)

%15

022.0

±=

(14.4.12)

Зависимости (14.4.11), (14.4.12) справедливы при выполнении усло-

вия: R

>0.25. В противном случае значение Р

принимается равным 18, а

значение безразмерного импульса I

= 0.16.

319

Дефлаграционное взрывное превращение облака ТВС.

В случае дефлаграционного взрыва облака ТВС к аргументам функ-

ций избыточного давления и импульса положительной фазы добавляются

скорость V

видимого фронта пламени и степень расширения σ продуктов

сгорания.

Значение

σ принимается:

σ = 7 для газовых смесей ТВС,

σ = 4 для гетерогенных смесей ТВС.

При дефлаграции гетерогенных облаков величина эффективного

энергозапаса смеси (1) домножается на коэффициент

75.0

141

−

(14.4.13)

Вначале рассчитываются безразмерные давление Р

Х1

и импульс I

фазы сжатия по формулам:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

14.083.01

RRC

(14.4.14)

()

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+⋅

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⋅

⋅−

⋅−⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

0025.001.006.01

4.01

XXX

ГГ

RRRC

(14.4.15)

Выражения (14.4.14), (14.4.15) справедливы для значений R

> 0.34,

в противном случае вместо R

подставляется величина R

= 0.34.

На следующем шаге алгоритма вычисляются значения P

и I

, ко-

торые соответствуют режиму детонации [формулы (14.4.7)…(14.4.10) для

газовой смеси и (14.4.11), (14.4.12) для гетерогенной смеси].

Выбираются окончательные значения безразмерных величин Р

и I

по условию:

()

,min

XXX

PPP =

(14.4.16)

()

,min

XXX

III =

(14.4.17)

Заключительным этапом алгоритма является расчет размерных зна-

чений давления и импульса фазы сжатия:

РРР

⋅=∆

(14.4.18)

()

333.0

667.0

EPI

⋅⋅

(14.4.19)

Оценка вероятности поражающего воздействия взрыва ТВС.

Оценка поражающего воздействия избыточного давления и импульса

взрыва ТВС на человека и сооружения производится на основе использо-

вания «пробит-функции» и нормального закона распределения случайных

значений поражающих факторов, а также реакции на их воздействие.

320

Повреждение промышленных зданий.

Повреждение стен промышленных зданий, при котором возможно

восстановление зданий без их сноса, оценивается значением «пробит-

функции»:

()

ln26.05Pr V⋅−=

(14.4.20)

где фактор V

рассчитывается по формуле:

3.94.8

29017500

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∆

(14.4.21)

Разрушение промышленных зданий, при котором сооружения под-

лежат сносу:

()

ln22.05Pr V⋅−=

(14.4.22)

3.114.7

46040000

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∆

(14.4.23)

Вероятность разрушения или повреждения сооружений определяется

соотношением:

dteW

∫

∞−

−

⋅

(Pr)

(14.4.24)

Оценка вероятности поражения человека.

Длительная потеря управляемости у людей (состояние нокдауна, шо-

ка), попавших в зону действия ударной волны взрыва ТВС:

()

ln74.55Pr V⋅−=

(14.4.25)

(

)

333.05.0

3.1

2.4

⋅⋅

∆

(14.4.26)

где m – масса тела живого организма, кг.

В некоторых источниках приводится формула расчета «пробит-

функции» для определения вероятности разрыва барабанных перепонок у

людей:

()

P∆⋅

−= ln524.16.12Pr

(14.4.27)

Значение «пробит-функции» для расчета вероятности отброса чело-

века волной давления:

44.25Pr V⋅−=

(14.4.28)

IPP

⋅∆

⋅

∆

103.17380

(14.4.29)

Значение соответствующих вероятностей производится по (14.4.24).

Примечание. ([38], кн.2, стр. 19.)

Безопасной считается скорость отброса человека 3 м/с. Пороговое поражаю-

щее значение – 6.5 м/с. 50% поражения людей наблюдается при скорости отброса 16.5

м/с. При скорости более 42 м/с – 100% потерь.