Вопрос 2. Пожарная опасность аварий и повреждений. Выход горючих веществ наружу из поврежденного технологического оборудования
Рассмотрим вопрос, какую же пожарную опасность несет повреждение технологического аппарата и оборудования и выход горючих веществ наружу из поврежденного технологического оборудования.
Выход горючих веществ из аппаратов при авариях и повреждениях представляет наибольшую пожарную опасность, так как при этом наружу выходит большое количество горючего, вызывая опасное скопление паров и газов в помещениях, загазованность открытых территорий, разлив жидкостей на больших площадях.
Взрывы и пожары в этих случаях приносят огромные материальные убытки и сопряжены с гибелью людей.
При повреждениях и авариях аппаратов характерны следующие особенности:
большое количество выходящих наружу горючих веществ;
быстрое нарастание горючих концентраций в помещениях и даже на открытых территориях;
возможность воспламенения паров или газов, выходящих наружу веществ.
Рассмотрим основные случаи, которые имеют место на практике:
1. Выходящие наружу из поврежденного аппарата вещества нагреты выше температуры самовоспламенения:
В этом случае при контакте с воздухом произойдет их загорание и образуется устойчивый факел горящего газообразного продукта или разлившейся жидкости.
2. Выходящие наружу из поврежденного аппарата вещества нагреты ниже температуры самовоспламенения, но выше температуры вспышки:
В этом случае загорание при контакте с воздухом не произойдет.
Но будет происходить образование горючих концентраций паров с воздухом.
Поэтому этот случай более опасен, чем первый.
Парогазовое взрывоопасное облако может иметь большие размеры, переместиться на значительное расстояние и взорваться от случайного источника зажигания, охватив взрывом и пожаром большие площади и объемы.
В приложении Г ГОСТа Р 12.3.047-98 приведен метод расчета размеров зон распространения облака горючих газов и паров при аварии.
3. Выходящие наружу из поврежденного аппарата вещества
нагреты ниже температуры вспышки:
В этом случае возможны два исхода:
если отсутствует мощный источник зажигания, то опасности воспламенения нет;
если имеется мощный источник зажигания (открытый огонь или поверхности, нагретые до температуры самовоспламенения попадающего на них продукта), то произойдет воспламенение.
Вопрос 3. Виды повреждений технологического оборудования
Локальные повреждения аппаратов и трубопроводов.
Масштаб аварии и пожара в решающей степени зависит от вида повреждения. Если повреждение имеет местный характер, а именно: образуются трещины, свищи, сквозные отверстия, происходит разрушение прокладочного материала, разъемных соединений и т.п., то в зависимости от рабочего давления в аппарате или трубопроводе возможен выход горючих веществ наружу или подсос воздуха.
И в том и другом случаях давление (избыточное или остаточное) в аппарате, стремясь к атмосферному давлению, изменяется плавно.
Образующаяся струя выходящего горючего вещества или подсасываемого воздуха устойчиво существует в течение длительного времени.
Повреждения, характеризуемые такими условиями, считают локальными.
Полное разрушение аппаратов и трубопроводов.
Может произойти также и полное повреждение (разрушение) аппарата или трубопровода.
При таком повреждении давление в аппарате изменяется резко, с большой скоростью.
Оно успевает выравниваться с атмосферным давлением за небольшой промежуток времени.
Таким образом, при полном повреждении существует реальная опасность выхода из аппарата за короткий отрезок времени практически всего объема содержащихся в нем горючих веществ.
Кроме того, при этом будет наблюдаться дополнительное истечение горючих веществ из всех трубопроводов, которые непосредственно связаны с поврежденным аппаратом.
Повреждение технологического оборудования не всегда сопровождается образованием горючей среды. Здесь возможны следующие наиболее характерные ситуации, которые необходимо учитывать при разработке мероприятий пожарной безопасности.
Мы уже говорили в предыдущем вопросе, что может произойти, если произойдет выход горючих веществ наружу из поврежденного оборудования:
Если в поврежденных аппаратах и трубопроводах горючие вещества (жидкие и газообразные) находятся под давлением и нагреты выше температуры самовоспламенения, то при выходе наружу и контакте с воздухом произойдет их самовоспламенение.
В этом случае образуется устойчивое горение газа или разлившейся жидкости.
Если выходящие горючие вещества нагреты ниже температуры самовоспламенения, но выше температуры вспышки (для жидкостей и сжиженных газов), то при отсутствии источников зажигания не произойдет воспламенение горючих смесей паров или газов с воздухом.
При этом горючая концентрация может образоваться не только в локальной зоне, но и в объеме всего производственного помещения и даже на открытой площадке.
При появлении источника зажигания в этом случае существует возможность воспламенения и горения образующегося паровоздушного облака в кинетической области (т.е. в виде взрыва смеси).
Если выходящая из поврежденного аппарата или трубопровода жидкость нагрета ниже температуры вспышки, то при ее разливе над поверхностью испарения горючая концентрация образоваться не может, и поэтому при появлении источника зажигания опасность взрыва отсутствует.
Однако необходимо помнить, что и в этом случае длительное воздействие мощного источника зажигания на зеркало такой жидкости может привести к воспламенению ее паров, а затем к медленному (вследствие горения в диффузионной области) распространению фронта пламени по ее поверхности.
Повреждение технологического оборудования, работающего под вакуумом, может вызвать подсос воздуха внутрь аппаратов.
В зависимости от начальной рабочей температуры в объеме аппарата могут возникнуть те же характерные ситуации, что и при выходе веществ наружу.
Опасность взрыва внутри аппарата при этом повышается.
Поэтому часто локальные повреждения аппаратов, работающих под вакуумом, заканчиваются полным разрушением в результате взрыва горючей смеси, образующейся в их объеме.
Итак, мы выяснили с вами, что разрушения аппаратов и трубопроводов могут носить локальный характер и характер полного разрушения, и к каким последствиям могут привести разрушения технологического оборудования.
Каждый вид повреждения, в зависимости от условий в которых находится горючее вещество, выходящее наружу, может привести к непоправимым последствиям.
Поэтому специалисту, занимающемуся вопросами предупреждения пожаров и взрывов технологических процессов, необходимо знать некоторые расчеты по определению количества горючих веществ, выходящих наружу из поврежденного оборудования.
Здесь мы рассмотрим самые простые расчеты. Более подробные вы найдете в нормативных документах.
ВОПРОС 4. Определение количества горючих веществ, выходящих наружу при локальном и полном разрушении аппарата. Методика определения количества горючих веществ и площади растекания горючих жидкостей в результате аварии или повреждения
Определить концентрацию выхода горючих веществ, его количество из поврежденного аппарата или трубопровода и соответственно опасность образовавшейся пожаровзрывоопасной зоны, можно рассчитать.
Так, например, локальные утечки горючих веществ, т.е. количество вещества, выходящего наружу из поврежденного оборудования, можно определить по формуле: G=αfυρτ, где
α - коэффициент расхода, определение значения которого известно из курса «Гидравлики»;
f – площадь отверстия, через которое происходит истечение;
υ – постоянная или средняя скорость истечения;
ρ – плотность вещества при истечении;
τ – длительность истечения.
Площадь поврежденного участка или отверстия определяют с учетом причин и характера повреждения и конструктивных особенностей оборудования.
Длительность истечения вещества из поврежденного аппарата τ складывается из времени от начала истечения до момента обнаружения повреждения τ1; длительности операций по прекращению утечки τ2 и длительности остаточного истечения τ3, т.е. τ= τ1 + τ2 + τ3.
Следует отметить, что величина каждого отрезка времени зависит от многих факторов. Например, время обнаружения повреждения и начала утечки τ1 зависит от характера и степени повреждения, числа и расположения рабочих мест обслуживающего персонала на производственном участке и на пункте управления производством, наличия стационарных средств контроля за технологическим процессом, чувствительности этих средств к отклонениям от норм технологического режима.
При значительных повреждениях в большинстве случаев период обнаружения повреждения можно принимать равным нулю.
Длительность операций по прекращению утечки τ2 зависит от многих факторов. Здесь учитывается число питающих трубопроводов, число отключающих задвижек и период их срабатывания, численность персонала, его подготовленность к ликвидации аварийной ситуации. При повреждении сложных технологических установок с жесткими технологическими связями следует учитывать время отключения всех взаимосвязанных блоков и узлов установки.
Одним словом, это время может измеряться часами. В простейших случаях время отключения оборудования принимают равным 15 мин при ручных операциях и 2 мин при автоматических.
Длительность остаточного истечения τ3 зависит от объема отсекаемого оборудования, его рабочих параметров к моменту отключения и параметров самого отключения. Длительность этого периода определяется гидродинамическим расчетом.
Скорость истечения вещества также можно рассчитать.
Мгновенную скорость истечения жидкости через отверстие определяют по формуле
υ=√2gH, где υ – скорость истечения вещества; g- ускорение силы; H- напор.
Если истечение происходит из емкости только под давлением столба жидкости, то Н определяется разностью отметок от уровня жидкости до места повреждения, т.е.
Н=Нж
На этом рисунке показано истечение жидкости при атмосферном давлении аппарата при его локальном повреждении.
Если аппарат работает под избыточным давлением, то
Н=Нж + р/ρжg , где р –рабочее избыточное давление; ρж – плотность жидкости.
Тогда рисунок будет выглядеть следующим образом: истечение жидкости под избыточным давлением.
Скорость истечения газа или пара под давлением через отверстия сопровождается их политропическим расширением и происходит со звуковой или дозвуковой скоростью в зависимости от соотношения давления окружающей среды р0, куда происходит истечение, и давления р в аппарате.
Для двухатомных газов скорость истечения газа через отверстия можно рассчитать по формуле: υ = 3,38√RT, где R –газовая постоянная; T- температура газа в аппарате.
Для многоатомных газов скорость истечения газа через отверстия можно рассчитать по формуле: υ = 3,34√RT
При полном разрушении аппаратов общее количество горючего вещества (газа или жидкости) определяется по формуле:
Gобщ = Gап + Gтр, где Gап – количество вещества, находящегося в аппарате к моменту разрушения; Gтр – количество вещества, подаваемого к аппарату через трубопроводы до момента их отключения.
Количество вещества в аппарате к моменту разрушения определяется исходя из емкости и степени заполнения аппарата. Количество вещества, поступающего к аварийному аппарату по трубопроводам, зависит от их размеров и расхода вещества в трубопроводах, способа обнаружения аварии и отключения трубопроводов.
Площадь растекания жидкости при авариях аппаратов и трубопроводов зависит от количества излившейся жидкости, ее вязкости, температуры, интенсивности излива, высоты падения струи, уклона площадки или пола, от характеристики поверхности, на которую вытекает жидкость (смачиваемость, поглощаемость, шероховатость и т.п.), и других факторов.
С учетом всех этих данных для площади растекания жидкости F в количестве более 1 л (V) получена формула:
F =ctgα√ρg/σ∙Κп , где α – угол смачивания поверхности пола разливаемой жидкостью; g –ускорение силы тяжести; ρ –плотность жидкости; σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости; Κп - коэффициент состояния поверхности, определяющий соотношение фактического радиуса растекания по реальной поверхности и радиуса растекания по идеальной поверхности.
Приняв для идеальной поверхности стекла Κп = 1,0, экспериментально нашли: для метлахской плитки Κп =0,9; для грунта Κп =0,9; для железобетонной плиты Κп =1, 1; для асфальта Κп =1,1; для бетона (с наполнителем из мраморной крошки) Κп =0,5.
Для практической оценки Κп можно использовать нормативные значения удельной площади растекания, которые приведены в НПБ 105-03.
В случае выхода горючей жидкости в производственное помещение площадь разлива определяется исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих 70 % и менее (по массе) растворителей, разливается на площади
0,5 м2, а остальных жидкостей — на 1 м2 пола помещения.
В случае выхода горючей жидкости на открытую площадку площадь разлива на горизонтальную поверхность определяется, исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих 70 % и менее (по массе) растворителей, разливается на площади 0,10 м2 а остальных жидкостей – на 0,15 м2.
Мы рассмотрели с вами только примерный расчет времени истечения горючих веществ, выходящих наружу из поврежденного оборудования. Этого расчета для определения пожаровзрывоопасной зоны далеко недостаточно. Еще надо уметь рассчитывать скорость истечения вещества: жидкости, газа; площадь растекания жидкости и т.д.
Подробные расчеты приведены в приложениях ГОСТа 12.1.004-91; ГОСТ 12.3.047-98, ГОСТ 12.1.044 -89, ПБ 09-170-97. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.