Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Прогнозирование чрезвычайных ситуаций. Прогнозирование последствий взрыва облака топливно-воздушной смеси. Учебное пособие
.pdf
Таблица 1.1
Показатели категорий взрывоопасности технологических блоков
Категория
взрывоопасности
I
II
III
Значение относительного
энергетического
потенциала Qв
> 37
27…37
< 27
Приведенная масса
парогазовой среды m,
кг
> 5000
2000…5000
< 2000
Далее, уже исходя из определенной категории взрывобезопасности
блоков, выбираются наиболее эффективные и надежные меры противоаварийной защиты.
Так, для каждого блока должны быть предусмотрены меры по снижению взрывоопасности, направленные [3]:
– на предотвращение взрывов и пожаров внутри технологического
оборудования;
– защиту технологического оборудования от разрушений и максимальное ограничение выбросов из него горючих веществ в атмосферу
при аварийной разгерметизации;
– исключение возможности взрывов и пожаров в объеме производственных зданий, сооружений и наружных установок;
– снижение тяжести последствий взрывов и пожаров.
Для каждого технологического процесса определяется совокупность критических значений параметров, и допустимый диапазон изменения этих параметров устанавливается с учетом характеристик этого технологического процесса.
Условия взрывоопасности технологического процесса обеспечиваются [3]:
– рациональным подбором взаимодействующих компонентов исходя из условий максимального снижения или исключения образования взрывоопасных смесей;
– выбором оптимального режима дозирования компонентов, а также предотвращением возможности отклонения их соотношения от регламентированных значений, способных привести к образованию
взрывоопасных концентраций в системе;
– введением в технологический процесс в соответствии с его физико-химическими условиями дополнительных веществ, препятствую-
11
щих образованию взрывоопасных смесей, например инертных разбавителей;
– рациональным выбором гидродинамических и тепловых характеристик процесса, а также геометрических параметров аппаратов;
– применением компонентов в фазовом состоянии, затрудняющим
или исключающим образование взрывоопасных смесей;
– выбором значений параметров состояния технологической среды,
снижающих ее взрывоопасность, например, ее давление или температуру;
– надежным энергообеспечением.
Надежность энергообеспечения осуществляется выбором рациональных схем электроснабжения, количеством источников питания, а
также их надежностью. При этом выбранные схемы энергоснабжения
должны исключать следующее [3]:
– нарушение герметичности системы за счет разгерметизации
уплотнителей или их разрушении при превышении давления;
– образование в системе взрывоопасной среды, например, за счет
увеличения времени пребывания продуктов в реакционной зоне и развития неуправляемых процессов.
Для каждого технологического блока с учетом его энергетического потенциала разрабатываются и предусматриваются средства,
направленные на предотвращение выбросов горючих продуктов в
окружающую среду или максимальное ограничение их количества,
а также предупреждение взрывов и предотвращение травмирования
персонала.
Следует отметить, что перечисленные требования к обеспечению
взрывоопасности технологических процессов являются общими. Но
для отдельных типов технологических процессов имеется целый ряд
других специфических требований безопасности, которые не приводятся в настоящем учебном пособии, но которые легко можно найти в
документе [3].
1.4. Рекомендации по анализу опасности
аварийных взрывов на объектах
В перечень потенциальных источников аварийных взрывов на объ-
екте входят:
– взрывчатые вещества (ВВ);
– энергоносители в резервуарах;
12
– расходуемые энергоносители;
– сосуды высокого давления
В качестве основных расчетных физических моделей внешних ава-
рийных взрывов на сегодняшний день приняты [5]:
– детонация компактной массы взрывчатых веществ;
– детонация облака газовоздушной или топливовоздушной смеси;
– дефлаграция этих же смесей;
– разрушение резервуаров под действием внутреннего квазистати-
ческого давления.
Детонационными взрывами называются взрывы, при которых воспламенение последующих слоев взрывчатого вещества происходит в
результате сжатия и нагрева ударной волной, т. е. ударная волна и зона
химической реакции следуют неразрывно друг за другом, причем с
постоянной сверхзвуковой скоростью.
Дефлаграционными взрывами являются такие взрывы, при которых
нагрев и воспламенение последующих слоев взрывчатого вещества
происходит в результате диффузии и теплопередачи, т. е. фронт волны
сжатия и фронт пламени двигаются с дозвуковой скоростью.
Все аварийные взрывы, которые только могут произойти на объекте, можно классифицировать по типу ведущего процесса генерации
воздушной ударной волны (ВУВ) (табл. 1.2) [5].
Следует учитывать, что наиболее полную оценку параметров поражающих факторов от источников аварийных взрывов можно получить, если принимать во внимание следующие обстоятельства [5]:
– возможность инициирования одного источника другим, т. е. вероятность возникновения так называемого принципа домино;
– нагрев близко расположенных емкостей за счет теплового излучения источника взрыва до возможности возникновения взрыва перегретой жидкости с последующим воспламенением ее горючего содержания;
– возможность совместного воздействия на объект поражающих
факторов от различных источников.
При анализе источников аварийных взрывов необходимо рассматривать [5]:
– характеристики источников, их объем, массу, тротиловый эквивалент;
– месторасположение источника с учетом рельефа местности,
наличия заграждений и прочих факторов;
– особенности хранения ВВ, условия их размещения в хранилище,
а также тип и конструкцию самого хранилища;
13
– возможные внешние исходные события для инициирования
взрывов на объектах;
– любую другую информацию, позволяющую уточнить расчетную
модель взрыва и соответственно возможные последствия его механического действия.
Таблица 1.2
Классификация аварийных взрывов
Ведущий взрывной
Тип аварийного взрыва
Взрыв ВВ Детонация ВВ 1. ВВ в прочной оболочке
Взрыв ТВС в замкнутом объеме при отсутствии начального избыточного давления
То же, при наличии
начального избыточного давления
Взрыв облака ТВС в
неограниченном пространстве
Разрушение емкости с
газами или жидкостями, в том числе емкостей с перегретыми
жидкостями
процесс генерации
ВУВ
1. Объемная детонация смеси
2. Объемная дефлаграция смеси
1. Объемная детонация смеси
2. Объемная дефлаграция смеси
1. Объемная детонация смеси
2. Объемная дефлаграция смеси
Распад начального
разрыва (скачка)
Особые условия
2. ВВ без оболочки или
в непрочной оболочке
1. Газопаровоздушная
смесь
2. Капельно-воздушная
смесь
3. Пылевзвешенная смесь
1. Горение смеси после
разрушения емкости
2. Без горения смеси после
разрушения емкости
1. Без горения смеси после
разрушения емкости
2. При горении емкости
внутри емкости
3. Горение смеси после
разрушения емкости
Для определения опасности источников аварийных взрывов необходимо владеть следующей информацией [5]:
– данные о количестве опасных материалов;
– данные о параметрах технологических процессов;
14
– сведения о максимальных объемах резервуаров, складов и других
хранилищ;
– показатели технических характеристик трубопроводов;
– наличие или отсутствие аварий на исследуемом объекте, а также
их сценарии и последствия;
– возможность взаимодействия материалов между собой при хранении и возможные последствия такого взаимодействия;
– максимальное количество ВВ;
– данные о розе ветров и других метеорологических особенностях
района;
– физико-механические и динамические характеристики грунтов в
данном районе.
1.5. Этапы анализа опасности воздействия
аварийных взрывов для зданий и сооружений
Весь процесс анализа опасности воздействия аварийных взрывов
можно разделить на три этапа, которые выполняются в следующей последовательности [5].
Этап 1 – на основании данных обследования территории объекта
определяются возможные источники аварийных взрывов и расстояния
от каждого источника до значимых зданий и сооружений.
Этап 2 – определяются параметры и характеристики основных поражающих факторов всех источников аварийных взрывов.
Этап 3 – определяются критерии устойчивости зданий и сооружений, важных для безопасности объекта.
При оценке взрывоустойчивости действующих или реконструируемых объектов в качестве критерия используется реальная взрывоустойчивость зданий, при этом допускается принимать во внимание
сведения об их устойчивости к другим видам нагрузки.
Дальнейшая последовательность анализа зависит от того, оценка
какого здания или сооружения проводится: действующего или проектируемого. Поэтому рекомендованы следующие этапы анализа.
Этап 4 – проводится оценка опасности аварийных взрывов.
Этап 4.1 – для действующих объектов проводится оценка по критериям взрывоустойчивости зданий и сооружений с помощью экспрессметодов, а для реконструируемых и проектируемых – применение экспресс-методов допустимо только для предварительных оценок.
15
Этап 4.2 – если результаты на этапе 4.1 не удовлетворяют поставленным целям оценки взрывоустойчивости, то необходимо провести
уточненный анализ опасности на основе уточненных моделей взрывов
и сооружений.
Этап 4.3 – анализ взрывоустойчивости на основе реалистических
оценок для проектируемых и реконструируемых объектов.
Этап 5 – допускается применение вероятностных подходов при
определении опасности аварийных взрывов в целях снижения консерватизма оценок, если имеются данные количественных оценок вероятности аварийных взрывов, полученных методами статистической обработки данных по аварийным взрывам на объектах-источниках, аналогичных анализируемому.
Этап 6 – если уточненный анализ показывает, что взрывоустойчивость зданий и сооружений не обеспечивается, то необходимо проводить инженерно-технические и организационные мероприятия, например перенос аварийных источников или реконструкция зданий и сооружений. Могут также ставиться вопросы и о запрещении эксплуатации этих потенциальных источников.
16
М
Глава 2
АВАРИЙНЫЕ ВЗРЫВЫ
ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
НА ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Взрывы топливно-воздушных смесей (ТВС) относятся к классу химических взрывов. Обычно взрывы ТВС возникают при испарении или
утечке горючих жидкостей и представляют собой серьезную угрозу
для персонала объекта и населения, проживающего рядом с данным
объектом.
В общем виде топливно-воздушной смесью называют мелкодисперсную смесь атмосферного воздуха и жидкого
включением в эту связь парообразной фазы.
Считается, что в образовавшемся облаке ТВС содержится только
одно горючее вещество. Если облако ТВС состоит из смеси горючих
веществ, то расчет параметров ударных волн проводится для каждого
горючего вещества отдельно.
Для расчета параметров ударной волны необходимо знать:
– характеристики горючего вещества, содержащегося
– агрегатное состояние ТВС (газовое или гетерогенное);
– среднюю концентрацию горючего вещества в смеси,
– стехиометрическую концентрацию горючего газа с воздухом,
С
;
ст
– массу горючего вещества в облаке, участвующую в создании поражающих факторов взрыва,
;
г
– удельную теплоту сгорания горючего вещества,
– информацию об окружающем пространстве.
Расчет последствий аварийных взрывов ТВС проводится по следующему алгоритму:
– определяется масса горючего вещества в облаке ТВС;
топлива с небольшим
в облаке ТВС;
С
;
г
q
;
г
17
– определяется эффективный энергозапас ТВС;
E
М
– определяется ожидаемый режим взрывного превращения ТВС;
– рассчитывается максимальное избыточное давление и импульс
фазы сжатия воздушных ударных волн для различных режимов;
– определяются дополнительные характеристики взрывной нагрузки;
– оценивается поражающее воздействие взрыва ТВС.
Существуют экспресс-методы оценки опасности потенциальных
источников аварийных взрывов, в ходе которых оценивается
устойчивость зданий, сооружений, а также их конструктивных элементов. Исходными данными для подобных экспресс-методов при наземных
взрывах ВВ является их полная масса и расстояние от центра возможного взрыва до рассматриваемой точки.
2.1. Определение эффективного
энергозапаса ТВС
Эффективный энергозапас облака ТВС зависит от соотношения
С
концентрации горючего вещества
С
ской концентрацией
. Если значение
ст
эффективный энергозапас ТВС (Е) рассчитывается по формуле [4]
где
– масса горючего вещества в облаке ТВС, кг;
г
q
– удельная теплота сгорания газа, Дж/кг.
г
Если же стехиометрическая концентрация
тивный энергозапас определяется по формуле [4]
EС
Если определение значения концентрации горючего вещества в об-
лаке ТВС невозможно, то в качестве
концентрацию, соответствующую нижнему концентрационному пре-
делу воспламенения горючего газа.
в облаке с его стехиометриче-
г
С
меньше или равно
г
Mq
, (2.1)
гг
С
меньше
ст
MqС
гг ст
. (2.2)
г
С
(кг/м3) допускается принимать
г
С
, эффек-
г
С
ст
,
18
Теплота сгорания газа
М
М
– корректировочный параметр опасных веществ, значения кото-
где
q
(МДж/кг) оценивается по формуле [4]
г
44q
г
, (2.3)
рого приведены в табл. 2.1 [4].
Следует учитывать, что при расчете параметров взрыва облака, лежащего на поверхности земли, значение эффективного энергозапаса
удваивается. Для оценки объема газового облака или облака ТВС можно воспользоваться простым соотношением [4]
г
VС
, (2.4)
ст
где
– масса горючего вещества в облаке ТВС, кг;
г
С
– стехиометрическая концентрация горючего вещества, %.
ст
Пример расчета
Требуется определить эффективный энергозапас облака ТВС, образовавшегося в результате аварийной разгерметизации резервуара с
50 кг нитрометана CH3NO2.
Решение
1. В соответствии с данными табл. 2.2 нитрометан по степени чувствительности к возбуждению взрывных процессов относится к первому классу, и значение его корректировочного параметра
равняет-
ся 0,25.
2. По формуле (2.3) рассчитаем теплоту сгорания нитрометана:
44 44 0, 25 11 МДж/кгq
г
.
3. В соответствии с разделом 2.6 рассчитаем стехиометрическую
концентрацию нитрометана:
nn
C
HX
42 452
n
n
0
31 2
1
0,
,
следовательно,
ст
100 100
14,84 14,840.5
29,2 %C
.
19
4. В соответствии с разделом 2.7 рассчитаем значение концентра-
ции горючего вещества в облаке ТВС:
7,3 %СС
НКПР г
.
5. Так как
СС
ст г
, расчет эффективного энергозапаса облака ТВС
проводится по формуле (2.1):
50 11 000 000 550 000 000 550 МДж.EMq
г
Варианты задания для самостоятельной работы
Требуется определить эффективный энергозапас облака ТВС в со-
ответствии с заданным вариантом.
Номер
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Вещество
Ацетилен
Этилен
Метилацетилен
Бензол
Метиловый спирт
Винилацетилен
Декан
Окись этилена
Этиловый спирт
Бутан
Бутановый спирт
Ацетон
Пропиловый спирт
Этан
Метилбензол
Дихлорэтан
Сероводород
Циклогексан
Пропан
Амиловый спирт
Химическая
формула
С
2Н2
С
2Н4
С
3Н4
С
6Н6
ОН
СН
3
С
4Н4
С
10Н22
С
2Н4
С
2Н5
С
4Н10
С
4Н9
С
3Н6
СН(ОН)СН3
СН
3
С
2Н6
С
6Н5СН3
С
2Н4Cl2
H
2
С
6Н12
С
3Н8
C
5H12
О
ОН
ОН
О
S
O
M
кг
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10
20
30
40
50
60
70
80
90
60
80
,
г
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]