Методики прогнозирования аварий на объектах по хранению, пожаровзрывоопасных веществ.

3.2.2.1 Основные определения, предпосылки и допущения

1. В качестве поражающих факторов в методике рассматриваются:

– воздушная ударная волна (ВУВ), образующаяся в результате взрывных превращений облаков ГВC и конденсированных взрывчатых веществ (KBВ);

– тепловое излучение «огненных шаров» и горящих разлитий;

– осколки, образующиеся при взрывах сосудов под давлением.

2. При разработке планов мероприятий по предотвращению чрезвычайных ситуаций и уменьшению величины ущерба величину дрейфа центра облака TВC следует принимать равной 300 м при мгновенной разгерметизации резервуара, и 150 м при длительном истечении, что соответствует 70% всех случаев аварий. Направление дрейфа облака ГВС следует по направлению ветра. При скорости ветра менее 1 м/с полагается, что дрейф незначителен и центр взрыва – место аварии.

3. Независимо от характера разгерметизации образующееся облако TВC в 20% случаев рассеивается. В остальных случаях происходит воспламенение облака. Это с равной вероятностью приводит к взрывному превращению облака или образованию «огненного шара».

4. Время нахождения людей в зоне действия теплового потока от горящего разлития принято равным 60 с.

5. Высота обваловки рассчитана на удержание всего объема разливающейся жидкости.

Пожар разлития

Пожар разлития возникает при возгорании разлитой горючей жидкости на поверхности земли, водной поверхности и т.п. При таком пожаре происходит устойчивое горение испаряющейся за счет нагрева огнем жидкости.

Линейный размер разлития зависит от объема вытекшей жидкости и условий растекания. При свободном растекании диаметр разлития может быть определен из соотношения:

, (3.2.1)

где

– площадь разлития.

Коэфициент учитывающий скорость ветра:

, (3.2.2)

где

– скорость ветра, м/с;

– плотность окружающего воздуха, кг/м³;

– плотность насыщенных паров топлива при температуре кипения, кг/м³;

– ускорение свободного падения;

– удельная массовая скорость выгорания, кг/(м²∙с).

Высота пламени:

- при :

, (3.2.3)

- при :

, (3.2.4)

Угол отклонения пламени от вертикали под действием ветра:

- при : ;

- при : ;

Интенсивность теплового излучения (кВт/м²) для пожара пролива ЛВЖ и СУГ:

(3.2.5)

где

– среднеповерхностная плотность теплового излучения;

– угловой коэффициент облученности;

– коэффициент пропускания атмосферы.

Среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени в зависимости от диаметра очага и удельная массовая скорость выгорания для некоторых жидких углеводородных топлив представлена в таблице 3.2.1.

Таблица 3.2.1

Топливо	, кВт/м2, при ,	, кг/(м2∙с)
СПГ (метан) СУГ (пропан-бутан) Бензин Дизельное топливо Нефть						0,08 0,1 0,06 0,04 0,04

Угловой коэффициент облученности:

(3.2.6)

где

, (3.2.7)

(3.2.8)

где

– расстояние от геометрического центра пролива;

,

,

,

,

,

,

,

.

Коэффициент пропускания атмосферы:

(3.2.9)

Огненный шар»

«Огненный шар»-это крупномасштабное диффузионное пламя сгорающей массы топлива или парового облака, поднимающееся над поверхностью земли.

Пожары с образованием «огненного шара» возникают при мощном истечении горючей жидкости или газа с сильным перемешиванием и быстром воспламенении. Начальное облако часто имеет полусферическую форму, но затем быстро принимает очертания сферы и поднимается вверх.

Для возникновения «огненного шара» необходимы следующие предпосылки:

1. Жидкость, хранящаяся в герметичном сосуде под давлением, к моменту вскипания (за счет сброса давления) должна быть «термодинамически перегретой» выше некоторого характерного предела относительно состояния насыщения при атмосферном давлении;

2. В результате аварийной разгерметизации несущего корпуса (либо неправильной работы предохранительных клапанов или разрывных мембран) должно произойти резкое падение давления над поверхностью раздела жидкой и паровой фаз.

Эффективный диаметр «огненного шара»:

(3.2.10)

где

– масса продукта, поступившего в окружающее пространство, кг.

Высота центра «огненного шара»:

(3.2.11)

Время существования «огненного шара»:

(3.2.12)

Интенсивность теплового излучения:

(3.2.13)

допускается принимать равной 350 кВт/м².

Коэффициент пропускания атмосферы:

(3.2.14)

где

– расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром “огненного шара», м.

Угловой коэффициент облученности:

(3.2.15)

Доза теплового излучения «огненного шара», Дж/м²:

(3.2.16)

Взрыв газового облака

Режим взрывного превращения газового облака зависит от типа горючего вещества и степени заграможденности окружающего пространства.

Вещества, способные к образованию горючих смесей с воздухом, по степени своей чувствительности к возбуждению взрывных процессов разделены на 4 класса:

класс 1 – особо чувствительные вещества (размер детонационной ячейки менее 2 см);

класс 2 –чувствительные вещества (размер детонационной ячейки от 2 до 10 см);

класс 3 – средне чувствительные вещества (размер детонационной ячейки от 10 до 40 см);

класс 4 – слабо чувствительные вещества (размер детонационной ячейки больше 40 см);

Классификация наиболее распространенных в промышленном производстве горючих веществ приведена в таблице 3.2.2. в случае, если вещество не внесено в классификацию, его следует классифицировать по аналогии с имеющимися в списке веществами, а при отсутствии информации о свойствах данного вещества, его следует отнести к классу 1, т.е. рассматривать наиболее опасный случай.

Таблица 3.2.2

Характером загроможденности существующего пространства определяется скорость распространения пламени при сгорании облака и, следовательно, параметры волны давления. Характеристики загроможденности окружающего пространства разделяются на 4 класса:

класс 1 - наличие труб, полостей, каверн, заполненных горючей смесью, при сгорании которой возможно ожидать формирование турбулентных струй продуктов сгорания, имеющих размеры не менее трех размеров детонационной ячейки данной смеси.

класс 2 - сильно загроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов, высокая плотность размещения технологического оборудования, лес, большое количество повторяющихся препятствий

класс 3 - средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк

класс 4 - слабо загроможденное и свободное пространство

Для оценки воздействия сгорания облака возможные режимы сгорания разделяются на 6 классов по диапазонам скоростей их распространения:

класс 1 – детонация или горение со скоростью фронта пламени 500 м/с и более;

класс 2 – дефлаграция, скорость фронта пламени от 300 до 500 м/с;

класс 3 – дефлаграция, скорость фронта пламени от 200 до 300 м/с;

класс 4 – дефлаграция, скорость фронта пламени от 150 до 200 м/с;

класс 5 – дефлаграция, скорость фронта пламени определяется по формуле:

, (3.2.17)

где

– масса горючего вещества, содержащегося в воздухе, кг;

класс 6 – дефлаграция, скорость фронта пламени определяется по формуле:

. (3.2.18)

Ожидаемый режим сгорания облака определяется с помощью табл.3.2.3, в зависимости от класса горючего вещества и класса загроможденности окружающего пространства.

Таблица 3.2.3

При определении максимальной скорости фронта пламени для режимов сгорания 2 - 4 классов дополнительно рассчитывается видимая скорость фронта пламени по формуле 3.2.17. В том случае, если полученная величина больше максимальной скорости, соответствующей данному классу, она принимается по формуле 3.2.18.

Избыточное давление в зависимости от расстояния от центра облака рассчитывается исходя из ожидаемого режима сгорания облака.

Класс 1 режима сгорания облака.

Расчитывается соответствующее безразмерное расстояние:

, (3.2.19)

где

– расстояние от центра облака, м;

– атмосферное давление, Па;

– эффективный запас смеси, Дж.

Расчитывается безразмерное давление:

Если , то .

. (3.2.20)

Расчитывается избыточное давление:

(3.2.21)

Классы 2 – 6 режима сгорания облака.

По формуле 3.2.19 расчитывается соответствующее безразмерное расстояние.

Расчитывается безразмерное давление:

, (3.2.22)

где

– степень расширения продуктов сгорания (для газо- паровоздушных смесей допускается принимать равным 7);

– скорость звука в воздухе, м/с.

Расчитывается избыточное давление:

, (3.2.23)

3.2.2.5. Взрыв вскипанием (BLEVE)

При попадании замкнутого резервуара со сжиженным газом или жидкостью в очаг пожара может происходить нагрев содержимого резервуара до температуры, существенно превышающей нормальную температуру кипения, с соответствующим повышением давления. За счёт нагрева несмоченных стенок сосуда уменьшается предел прочности их материала, в результате чего при определённых условиях оказывается возможным разрыв резервуара с возникновением волн давления и образованием «огненного шара». Разрыв резервуара в очаге пожара с образованием волн давления получил название BLEVE (Boiling Liquid ExpandingVapour Explosion — взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости).

В случае разрыва сосуда (при ударе, из-за коррозии или при его ослаблении под воздействием огня), происходит взрыв:

- газовая фаза освобождается, создавая волну давления (детонацию) снаружи сосуда; давление внутри сосуда резко падает;

- жидкая фаза начинает активно и неконтролируемо кипеть, чтобы компенсировать данное падение давления;

- количество высвобождаемого газа переполняет сосуд (газ не успевает выйти через образовавшийся проём) и происходит буквальный разрыв сосуда, создающий вторую волну давления (гораздо более мощную, чем первая), сопровождаемый разбрасыванием металлических осколков;

- газ высвобождается из сосуда и смешивается с воздухом (в случае если газ воспламеняющийся, может образоваться «огненный шар»).

Возможность возниконвения BLEVE:

, (3.2.24)

где

- температура жидкой фазы, соответствующая температуре насыщенного пара при давлении срабатывания предохранительного клапана, К;

– нормальная температура кипения вещества;

– удельная теплоемкость жидкой фазы, Дж/кг;

– удельная теплота испарения при нормальной температуре кипения, Дж/кг.

Если , то BLEVE невозможен.

Энергия, выделяющаяся при изоэнтропическом расширении среды, находящейся в резервуаре

, (3.2.25)

где

– доля энергии волны давления (допускается принмать равной 0,5);

– масса СУГ или ЛВЖ, содержащаяся в резервуаре.

При наличии в резервуаре предохранительного клапана , допускается рассчитывать по формуле:

, (3.2.26)

где , , – константы Антуана вещества;

– давление срабатывания предохранительного клапана, кПа.

Приведенная масса пара CУГ или ЛВЖ:

(3.2.27)

Избыточное давление на фронте ударной волны за пределами зоны детонационного взрыва:

, (3.2.28)

где

– расстояние до эпицентра взрыва.

Взрыв вытекающей жидкости

При разрушении резервуара с СУГ часть жидкости, мгновенно испаряется за счет внутренней энергии, образуя с капельками жидкости облако аэрозоля. Массовая доля мгновенно испарившейся жидкости определяется по формуле:

, (3.2.29)

где

– удельная теплоемкость СУГ, Дж/(кг∙К);

– температура окружающего воздуха, К;

– температура кипения СУГ при атмосферном давлении, К;

– удельная теплота парообразования СУГ, Дж/кг.

Принимается, что при вся масса жидкости за счет взрывного характера испарения переходит в парокапельное облако.

При оставшаяся часть жидкости испаряется с поверхности пролива за счет потока тепла за счет подстилающей поверхности и воздуха. Тогда масса газа СУГ в первичном облаке:

, (3.2.31)

где

– общая масса СУГ в резервуаре, кг;

При разрушении резервуара с ЛВЖ часть жидкости, которая находится в виде пара, образует первичное облако. Оставшаяся часть жидкости разливается либо внутри обваловки (поддона), либо на грунте с последующим испарением с зеркала разлива с образованием вторичного облака.

При наличии обваловки площадь разлития ( ) равна площади обваловки. При отсутствии обваловки площадь разлития рассчитывается:

- 1л жидкости на 0,1 м² для жидкостей, содержащих 70% растворителя и менее;

- 1л жидкости на 0,15 м² для остальных.

Масса пара ЛВЖ в первичном облаке:

, (3.2.31)

где

– давление газовой составляющей в резервуаре, кПа;

– объем резервуара, м³;

– объемная доля резервуара, заполненная газовой фазой;

– молярная масса газа, кг/кмоль;

– температура в резервуаре, К

– универсальная газовая постоянная, 8310 Дж/(К∙кмоль);

Масса паров во вторичном облаке, образующемся при испарении СУГ:

(3.2.32)

где

λ_тв - коэффициент теплопроводности материала, на поверхность которого разливается СУГ, Вт/(м·К);

С_тв – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг∙К);

ƥ_тв – плотность материала, кг/м³;

Т₀ - начальная температура материала, К;

λ_в - коэффициент теплопроводности воздуха, при температуре Т₀, Вт/(м·К);

u – скорость воздушного потока над поверхностью испарения, м/с;

v_в – кинематическая вязкость воздуха при температуре Т₀, м²/с;

d – характерный диаметр пролива, м;

t_исп - текущее время, с, принимаемое равным времени полного испарения СУГ, но не более 3600 с.

Масса паров во вторичном облаке, образующемся при испарении ЛВЖ:

- если температура жидкости больше температуры кипения (T_кип) жидкости и больше температуры окружающей среды:

, (3.2.33)

где

m_ж – масса жидкости;

– удельная теплота кипения ЛВЖ при температуре перегрева Т_ж, Дж/кг;

- если температура жидкости меньше температуры кипения жидкости:

m_п2 = w* S_р * t_исп , (3.2.34)

где

t_исп - время испарения рассчитывается по формуле:

, но не более 3600 сек. (3.2.35)

w - интенсивность испарения ЛВЖ, кг/(м²∙с).

, (3.2.36)

где

M_ж – молярная масса жидкости, кг/кмоль;

Р_нас - давление насыщенного пара ЛВЖ, кПа.

Давление насыщенного пара ЛВЖ:

, (3.1.37)

Суммарная масса газа (пара):

m_г = m_г1 + m_п2 , (3.2.38)

Далее расчет происходит по методике изложенной в пункте 3.2.2.4.

Взрыв взрывчатого вещества.

Величина тротилового эквивалента:

, (3.2.39)

где

G_тнт - тротиловый эквивалент, равный массе тринитротолуола (тротила), при взрыве которого выделяется такое же количество энергии, как и при взрыве рассматриваемого взрывчатого вещества G_вв, кг;

Q_тнт – энергия взрыва тротила, кДж/кг;

Q_вв – энергия взрыва рассматриваемого взрывчатого вещества, кДж/кг.

Избыточные давления на фронте ударной волны;

, (3.2.40)

Осколки оборудования.

Энергия взрыва:

, (3.2.41)

где

P₀ – атмосферной давление, кПа;

P_г –давление газа в резервуаре, кПа;

γ - значение показателя адиабаты;

V₀ – объем резервуара, м³.

Масса эквивалентного заряда:

, (3.2.42)

где

Q_тнт – теплота сгорания тринитротолуола, кДж/кг, равная 4,52∙10³.

Дальность разлета осколков:

(3.2.43)

Определяется перечень зданий и сооружений, попадающих в зону разлета осколков. Здания получают среднюю степень разрушения, а технологические установки и трубопроводы – сильную.

Оценка последствий аварий.