Яковлев В.В. Экологическая безопасность, оценка риска

Подождите немного. Документ загружается.

341

грибовидное облако диаметром около 300 м и высотой в несколько сотен

метров. Половина взорвавшейся цистерны была отброшена вдоль желез-

нодорожного полотна на 400 метров. Систему водяного орошения исполь-

зовать не удалось, так как цистерна взорвалась раньше, чем начали свою

деятельность пожарные. В результате аварии погибло 13 человек, а 95 че-

ловек (большинство из которых были

сторонними наблюдателями, нахо-

дившимися на расстоянии 300 метров от места взрыва) получили ранения.

В том же году автомобильный бутановоз начал движение до отсо-

единения загрузочных рукавов, которые при этом разорвались, освобо-

дившийся бутан образовал газовоздушную смесь и воспламенился. Клапан

безопасности по предельному расходу газа не сработал, а ручные заглушки

на автоцистерне

и погрузочном коллекторе были открыты. В результате

аварии цистерна с бутаном емкостью 30 тонн взорвалась, выбросив содер-

жимое на высоту до 400 метров. По эффекту «домино» разрушились еще

две емкости с пропаном вместимостью по 10 тонн.

В апреле 1971 года в г. Биг Велс (США) тракторный поезд перевозил

две цистерны емкостью по 16,5 м

каждая. В одной цистерне находился

пропан, в другой бутан. Следовавший впереди автомобиль внезапно пере-

сек поезду путь. В результате трейлер и цистерны разъединились. Трейлер

опрокинулся, а цистерны взорвались. Погибло 17 человек, 34 человека бы-

ли ранены и получили ожоги. Страховая компания объявила, что к выплате

было представлено требование на сумму 50 млн. долларов.

Описанные аварии явились результатом проявления халатности или

нарушений условий безопасного использования оборудования или транс-

портных средств.

При работе с газами возможны разнообразные аварийные ситуации,

моделирование которых отличается существенной индивидуальностью.

Ранее было определено, что потенциальная энергия, запасенная в со-

суде, содержащем газ под давлением, складывается из тепловой энергии

газа (для горючих газов

) и энергии адиабатического расширения сосуда.

При этом следует различать (по пожаровзрывоопасности) аварийные си-

туации с сосудами под давлением, содержащие горючие газы и инертные

газы.

В общем случае потенциальная энергия Е

емкости с газом может

быть представлена суммой:

АТ

ЕЕЕ +=

(16.1)

где Е

– энергия межмолекулярных связей газа, реализуемая при его

воспламенении,

– энергия адиабатического расширения сосуда, находящегося

под избыточным давлением.

При аварии с наземным взрывом емкости, содержащей газ, энергия

распределяется по следующим основным составляющим в предполо-

342

жении, что энергией разрушения сосуда можно пренебречь, считая, что

она почти полностью переходит в кинетическую энергию осколков:

()

КСВТ

ЕЕЕЕЕ +++=

(16.2)

где Е

–тепловая энергия взрыва газовоздушной смеси, Дж;

–энергия воздушной ударной волны, Дж;

–энергия сейсмических колебаний грунта, Дж,

–кинетическая энергия осколков разрушенного сосуда, Дж.

В дальнейшем, исходя из масштабов наносимого ущерба, энергией

сейсмических колебаний грунта будем пренебрегать, тогда с достаточной

для инженерных оценок точностью распределение энергии (8.2) представ-

ляется в виде:

КВТ

ЕЕЕЕ ++=

(16.3)

Заметим, что если в аварии участвует негорючий газ, например, сжа-

тый азот, тепловая составляющая Е

= 0.

Весьма существенным и открытым остается вопрос о количествен-

ном распределении энергии между составляющими (16.3).

Таблица 16.1.

Ориентировочное распределение энергии при различных взрывах.

Значения коэффициентов

распределения энергии

Вид взрыва

Доля воздуш-

ной ударной

волны, k

Доля энергии

осколков,

Доля тепловой

эмиссии,

Взрыв конденсированных

ВВ без массивных оболочек

0.8 0 0.2

Взрыв конденсированных

ВВ в металлических оболоч-

ках

0.3 0.6 0.1

Взрыв облака ГВС в откры-

том пространстве

0.4 0 0.6

Взрыв сосуда под давлением

с инертным газом

0.4 0.6 0

Взрыв сосуда под давлением

с горючим газом

0.3 0.4 0.3

Взрыв облака ГПВС в поме-

щении

0.6 0 0.4

Взрыв пыли

0.7 0 0.3

Разделим компоненты уравнения (16.3) на Е

, т.е. перейдем к отно-

сительным величинам распределения энергии взрыва:

КBT

kkk ++=1

(16.4)

где k

– доля энергии, расходуемой на формирование теплового поля;

343

– доля энергии, расходуемой на формирование воздушной

ударной волны;

– доля энергии, расходуемой на кинетическую энергию ос-

колков.

В рамках учебного процесса или при проведении оценочных про-

гнозных расчетов может быть рекомендовано распределение энергии при

различных видах взрывов в соответствии с данными табл. 16.1. При этом

следует иметь ввиду сугубо ориентировочное значение этих данных.

16.1. Взрывы газовоздушных смесей в открытом пространстве.

Аварийное вскрытие емкостей с горючими газами, разлитие сжи-

женных газов на различные поверхности приводят к испарению жидких

фракций и формированию облаков газовоздушных смесей (ГВС), их возго-

ранию и при определенных условиях – к взрыву.

Условия формирования взрывоопасного облака, а также задержка

воспламенения от начала выброса паров или газов в атмосферу являются

определяющими факторами развития аварийной ситуации. Если воспламе-

нение происходит немедленно, то формируется так называемая «горящая

лужа». В случае задержки воспламенения успевает сформироваться облако

ГВС и может произойти его взрывное сгорание с образованием ударных

волн значительной амплитуды.

При взрыве облака ГВС существенные эффекты поражающих фак-

торов возникают только в случаях, когда энергия

высвобождается за ко-

роткий промежуток времени, что адекватно высокой скорости распростра-

нения пламени. Существуют две модели распространения фронта горения:

детонационная и дефлаграционная.

Для

дефлаграции характерен перенос тепла и активных радикалов из

зоны реакции в свежую смесь за фронтом пламени. Быстрая дефлаграция

наблюдается вследствие турбулизации газа перед фронтом пламени. Ско-

рость распространения фронта горения составляет 10…300 м/с, избыточ-

ное давление во фронте воздушной ударной волны может достигать десят-

ки и даже сотни кПа.

Переходу к детонации

облака смеси газа с воздухом (кислородом)

или иным окислителем способствуют различные препятствия (строения,

пересеченная местность, оборудование) на пути распространения пламени,

вызывающие турбулизацию.

При

детонации фронт пламени ГВС распространяется совместно с

ударной волной со скоростями 1.8…2.5 км/с, а максимальное избыточное

давление во фронте воздушной ударной волны может достигать несколь-

ких МПа.

От момента аварии, например, с разгерметизацией резервуара до мо-

мента взрыва облака ГВС проходит, как правило, некоторое время, стати-

344

стическая оценка которого представлена на рис. 16.1.1. Дрейф облака ГВС

(расстояние от места аварии до точки взрыва) по результатам обобщения

статистических данных наблюдаемых аварийных случаев, представлен на

рис. 16.1.2.

При взрыве ГВС сферическая детонационная волна может возник-

нуть непосредственно в облаке от слабого стороннего источника энергии,

например, от искры, если размер облака

превышает некоторое критическое

значение и газ находится в пределах концентраций, указанных в табл.

16.1.1.

В дальнейшем принимается упрощенная модель аварийного резкого

разрушения емкости с взрывоопасным газом, в результате чего формиру-

ется облако, способное детонировать.

100

1 5 15 20 30

Время после аварии, мин

Вероятность взрыва

Рис. 16.1.1. Статистические данные по распределению интервала

времени между моментом аварии и взрывом облака ГВС.

Детонационную волну в газах представляют как ударную волну, со-

провождаемую волной горения. Учитывая высокую скорость детонации

(тысячи метров в секунду), сформировавшееся при быстром испарении об-

лако ГВС в расчетах считают неизменным за весь период распространения

фронта волны от места поджига (принимается возбуждение взрыва в цен-

тре облака) до внешней границы облака, аппроксимируемого полусферой

радиуса r

с центром на поверхности грунта. Параметры детонационной

волны в процессе ее распространения в пределах облака существенно не

меняются. При выходе за пределы облака расширяющиеся продукты дето-

нации (ПД) возбуждают воздушную ударную волну.

345

Таблица 16.1.1.

Значения минимальной энергии Е

min

инициирования взрыва, мини-

мального диаметра d

min

облака и необходимой объемной концентрации С

об

горючей компоненты в облаке для наиболее чувствительных к детонации

газовоздушных смесей [38].

Горючий компо-

нент

Соб, % Е

min

, Дж d

min

, м

Ацетилен С

12.5

1.3

⋅10

3.12

Водород Н

29.6

4.2

⋅10

109.6

Пропан С

5.7

2.5

⋅10

85.8

Пропилен С

6.6

7.6

⋅10

58.5

Этан С

5.7

5.1

⋅10

109.6

Этилен С

9.5

1.2

⋅10

31.2

Метан СН

12.3

2.3

⋅10

398.0

Поскольку при аварийных выбросах не вся масса жидкого продукта

из сосуда переходит в облако ГВС, к расчетному значению массы газа, на-

ходящегося в резервуаре, вводят коэффициент

ν ≤ 1, учитывающий долю

газа, участвующего в формировании облака (долю газа, вошедшего в обла-

ко из аварийного сосуда).

Начальный радиус r

, м полусферического облака ГВС в зависимо-

сти от его объема V

, м

определяется по формуле:

⋅

(16.1.1)

Наибольший интерес для оценки последствий взрывов газовых сме-

сей с позиций их опасности представляют смеси стехиометрического со-

става.

Стехиометрической называется оптимальная по составу смесь, в

которой количество всех компонент полностью соответствует формуле

химической реакции горения.

Стехиометрическая концентрация С

СТХ

[32] рассчитывается по формуле:

⋅+

84.41

100

СТХ

, % (16.1.2)

n −

−

где n

, n

– число атомов углерода, водорода, галогенов и кислорода

в составе молекулы.

346

Рис. 16.1.2. График функции распределения дрейфа облака ПВС.

Поскольку согласно закону Авогадро один моль идеального газа за-

нимает объем V

=22.4⋅10

-3

(м

/моль), а молярная масса М

имеет размер-

ность г/моль, т.е. (кг/моль)

⋅10

-3

, то для газовой смеси заданной объемной

концентрации, например, стехиометрической С

стх

(при С

стх

= 4.03 % в фор-

мулу (16.1.3) подставляется значение 0.0403) молярной массой М

горючей

компоненты общей массой G

, кг приближенная формула для объема V

облака газовоздушной смеси будет иметь вид:

СМ

стхГ

Га

⋅

⋅⋅

≈

, м

(16.1.3)

где Т – температура среды, К;

– нормальная температура воздуха.

Значение коэффициента

ν принимается в зависимости от способа

хранения продукта [38]:

ν = 1.0 для газов, находящихся при атмосферном давлении,

ν = 0.5 для газов, сжиженных под давлением,

ν = 0.1 для газов, сжиженных охлаждением,

ν = 0.02…0.07 при растекании легковоспламеняющихся жидкостей.

При оценках последствий аварийных взрывов ГВС в открытом про-

странстве (в атмосфере) расчетные зависимости с использованием форму-

лы Садовского М.А. будут недостаточно корректными, поскольку в основе

модели взрыва Садовского М.А. лежит гипотеза точечного заряда, т.е.

предположение о сосредоточении всей массы и энергии взрывчатого

веще-

ства в пренебрежимо малом объеме.

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Расстояние дрефа не более, м

Вероятность достижения

347

Ниже, в отличие от п.14.3, п. 14.4, приводится еще одна методика

расчета параметров воздушной ударной волны при взрыве облака ГВС, из-

ложенная в [38]. Параметры ударной волны облака ГВС на расстояниях,

превышающих начальный размер облака, определяются на основе числен-

ного решения задачи о детонации пропано - воздушной смеси. Полученные

зависимости максимума эффективного избыточного давления

P∆ , Па и

удельного импульса I, Па

⋅с в ударных волнах от расстояния R, м между

объектом воздействия и центром взрыва в энергетических координатах

удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

Для горючих смесей углеводородов с воздухом, независимо от со-

става смеси, при атмосферном давлении Р

действуют следующие зависи-

мости [38]:

максимальное значение избыточного давления

PPP

аm

⋅=∆

, Па (16.1.4)

(

)

lg52.0lg18.265.0)lg( RRP ⋅+⋅−=

(16.1.5)

Приведенное расстояние

, м/кг

1/3

ТУВ

R =

(16.1.6)

Удельный импульс:

)(lg04.0lg97.011.2lg RRI ⋅+⋅−=

(16.1.7)

ТУВ

mII ⋅=

(16.1.8)

Тротиловый эквивалент по ударной волне m

TУВ

, кг наземного полу-

сферического облака ГВС при удельной теплоте взрыва смеси

Q , Дж/кг и

удельной теплоте взрыва тротила Q

Дж/кг:

mВ

ТУВ

Qzmk

⋅

9.0

(16.1.9)

где

⋅

масса облака ГВС стехиометрического состава, кг;

– коэффициент распределения энергии взрыва, определяющий

ее долю, приходящуюся на формирование воздушной ударной волны

(16.4), табл. 16.1;

≤ 1 – доля вступившего в реакцию газа. Принимается, как пра-

вило, равной 0.4…0.6. В случаях оценки с завышением опасности, этот ко-

эффициент может приниматься равным единице.

Эффективное время

, с действия фазы сжатия ударной волны с

давлением

∆Р(t), аппроксимируемым треугольником:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−⋅∆=∆

PtP

1)(

, (16.1.10)

определяется по формуле:

348

∆

⋅

(16.1.11)

Масса G горючей компоненты ГВС в (16.1.3) может определяться на

основе следующих соотношений:

для мгновенно разгерметизированных резервуаров, в которых газ

хранился с плотностью

ж,

G =

⋅V,

где V – заполненный газом объем резервуара, м

При длительном истечении СУГ из резервуара в случае нахождения

аварийного отверстия ниже уровня жидкой фракции газа, масса горючей

компоненты m

в облаке определится из работы [27] при коэффициенте со-

противления истечению, равном 0.6:

tHg

sG ⋅

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⋅⋅+

−⋅

⋅⋅⋅=

)(2

ρµ

(16.1.12)

где s – площадь аварийного отверстия, м

;

µ - коэффициент сопротивления истечению сжиженного газа, как

правило, принимаемый равным 0.6;

Р – давление в резервуаре, Па;

– атмосферное давление, Па;

– время истечения, с;

– плотность жидкой фазы газа, кг/м

;

g – ускорение силы тяжести;

Н – высота уровня жидкости над аварийным отверстием, м.

При истечении СУГ из полностью или частично разгерметизирован-

ного трубопровода предполагается, что процессы разлива, растекания и

испарения происходят одновременно. Полное время t формирования обла-

ка ГВС складывается из времени t

истечения газа до перекрытия трубо-

провода и времени испарения газа. Масса горючей компоненты в облаке

ГВС определяется следующими соотношениями.

При полном (гильотинном) разрушении трубопровода сечением S

ЖTИ

SUtG

⋅⋅⋅=

(16.1.13)

При частичном разрушении с образованием отверстия с площадью S:

()

tSG

ИЖ

−⋅

⋅⋅⋅⋅=

ρµ

(16.1.14)

где G – масса газа, кг;

U – линейная скорость течения газа в трубопроводе, м/с;

S – общая площадь аварийного раскрытия трубопровода, м

;

- площадь внутреннего сечения трубопровода, м

;

– плотность жидкой фазы газа, кг/м

;

– время истечения газа, с;

349

, Р

– давление атмосферное и давление в трубопроводе соот-

ветственно, Па.

Согласно ГОСТ Р 3.12.047-98 для расчета избыточного давления

∆Р

(R) во фронте воздушной ударной волны при наземном взрыве ГВС

формула имеет вид [32]:

[

]

538.0)( XXXPRP ⋅+⋅+⋅⋅=∆

(16.1.15)

где

тр

333.0

R – расстояние от центра взрыва до объекта наблюдения, м;

9.0 Q

zQkЕ

ВB

тув

⋅

⋅⋅⋅

, кг; (16.1.16)

= 4.52⋅10

– удельная энергия взрыва тротила, Дж/кг;

- удельная теплота сгорания единицы массы ГВС, Дж/кг;

– атмосферное давление, ПА;

z – коэффициент доли участия газа (пара) во взрыве). Значение

z рассчитывается или принимается согласно [32] равным z = 0.1;

– энергия, выделяющаяся при изоэнтропическом расшире-

нии среды, находящейся в резервуаре под давлением, Дж.

тр

667.0

123

)(

⋅

(16.1.17)

Избыточное давление во фронте воздушной ударной волны зачастую

является основным поражающим фактором конкретного объекта. Напри-

мер, при

∆Ρ

≥ 35 кПа возможно разрушение (образование трещин) в ре-

зервуарах хранения нефтепродуктов и сжиженных углеводородных газов,

с их последующим истечением и образованием нового облака ГВС.

Пример 16.1.1.

Взрыв облака, образованного при аварии железнодорожной цистерны,

заполненной на 90% сжиженным пропаном.

Постановка задачи.

Произошло полное разрушение железнодорожной цистерны объе-

мом 70 м

, заполненной на 90 % жидким пропаном.

Метеоусловия способствовали формированию облака стехиометри-

ческого состава. Произошел взрыв облака смеси пропана с воздухом.

Требуется определить изменение давления во фронте ударной вол-

ны, изменение импульса и длительности фазы сжатия на расстояниях до

500 м от цистерны.

Решение.

Масса пропана (горючей компоненты) в цистерне:

332649.070528 =⋅⋅=G

кг.

Показатель

ν = 0.5, принимаем коэффициенты: k

=0.4, z=0.1.

Пропан С

, С

СТХ

=4.03%.

350

Объем облака

2.210104

0403.044

332645.04.22

⋅

⋅⋅

Радиус облака газовоздушной смеси

5.46

2.2101043

⋅

м.

Плотность паров пропана при нормальном давлении и температуре 20

°С:

()

/83.1

2000367.014.22

00367.014.22

мкг

⋅+⋅

Масса облака газовоздушной смеси

кгm 3844902.21010483.1

⋅

Масса облака по ударной волне в тротиловом эквиваленте при z =0.1.

тув

5.243175

1052.49.0

10353.463844904.01.0

⋅

⋅⋅⋅⋅

кг.

Остальные результаты решения, выполненного по формулам

(16.1.9)…(16.1.17), приведены на рис. 16.1.3, рис. 16.1.4.

100

120

140

100 200 300 400 500

Расстояние , м

Давление во фронте, кПа

гост

[38]

Рис. 16.1.3. Изменение давления во фронте воздушной ударной вол-

ны с расстоянием, рассчитанное по формулам (16.1.4),…(16.1.9) и

(16.1.15),…(16.1.17).