Расчет зоны поражения. Центр планирования и предупреждения чрезвычайных ситуаций Физические взрывы в оборудовании

РАСЧЕТ ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВА

ВНУТРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Развитие химической промышленности сопровождается увеличением масштабов производства, мощности установок и аппаратов и усложнением технологических процессов и режимов управления производством. Вследствие усложнения и увеличения производства, происходящие аварии имеют все более тяжкие последствия. Особую опасность представляют химические, взрывоопасные производства, атомные электростанции , склады взрывчатых и легковоспламеняющихся веществ, боеприпасов , а также сосуды и резервуары, предназначенные для хранения и транспортировки нефтепродуктов и сжиженных газов.

В настоящее время в мире все больше внимания уделяется вопросам обеспечения на высоком уровне защиты окружающей среды, безопасности жизнедеятельности и охране труда . Одним из возможных путей снижения риска возникновения чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах является анализ произошедших аварий. На их основе разрабатываются мероприятия по предупреждению возникновения аварий и предотвращению опасных последствий.

Одним из видов аварий на промышленных объектах являются взрывы технологического оборудования. Взрыв оборудования несет потенциальную опасность поражения людей и обладает разрушительной способностью.

Взрыв (взрывчатое превращение) – это процесс быстрого физического или химического преобразования вещества, сопровождающийся переходом потенциальной энергии этого вещества в механическую энергию движения или разрушения . В зависимости от вида энергоносителя и условий энерговыделения при взрыве различают химические и физические источники энергии.

Физический взрыв может быть вызван внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью, смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т. д.

Источником химического взрыва являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или термического разложения нестабильных соединений.

Физические взрывы в оборудовании

Физические взрывы, как правило, связывают с взрывами сосудов от давления газов или паров .

В химической технологии часто приходится преднамеренно сжимать как инертные, так и горючие газы, затрачивая при этом электрическую, тепловую или другие виды энергии. При этом сжатый газ (пар) находится в герметичных аппаратах различных геометрических форм и объемов. Однако в ряде случаев сжатие газов (паров) в технологических системах происходит случайно вследствие превышения регламентированной скорости нагрева жидкости внешним теплоносителем .

При взрывах сосудов под давлением могут возникать сильные ударные волны, образуется большое число осколков, что приводит к серьезным разрушениям и травмам. При этом общая энергия взрыва переходит в основном в энергию ударной волны и кинетическую энергию осколков.

Многие жидкости хранятся или используются в условиях, когда давление их паров значительно превышает атмосферное. Энергия перегрева жидкости может быть источником чисто физических взрывов, например, при интенсивном перемешивании жидкостей с различными температурами, при контакте жидкости с расплавами металла и нагретыми твердыми телами. При этом не происходит химических превращений, а энергия перегрева расходуется на парообразование, которое может протекать с такой скоростью, что возникает ударная волна. Масса образующихся паров и скорость парообразования при этом определяются по материальным и тепловым балансам двух возможных моделей аварийных ситуаций: 1) тепловыделение с парообразованием происходит при постоянном объеме; 2) за тепловыделением при сохранении объема следует расширение с сохранением теплового равновесия.

При смешивании двух жидкостей с существенно разными температурами возможны явления физической детонации с образованием облака жидких капель одного из компонентов.

На промышленных предприятиях нейтральные (негорючие) сжатые газы - азот , диоксид углерода, фреоны, воздух - в больших объемах находятся главным образом в сферических газгольдерах высокого давления.

9 июля 1988 г произошел взрыв шарового газгольдера сжатого воздуха объемом 600 м3 (радиус сферы 5,25 м), изготовленного из стали толщиной стенки 16 мм и рассчитанного для работы под давлением 0,8 МПа. Взрыву газгольдера (происшедшему при давлении 2,3 МПа) предшествовало медленное повышение давления до предела текучести стали, из которой он был изготовлен.

Шаровой газгольдер входил в состав технологического агрегата производства карбамида, введенного в эксплуатацию в апреле 1988 г. Воздух в газгольдер поступал из общей заводской технологической линии через обратный клапан и арматуру. Газгольдер не был оборудован средствами сброса давления, так как максимально возможное давление воздуха (0,8 МПа) в нем обеспечивалось его стабилизацией в технологической системе и характеристиками воздушных компрессоров типа ВП-50-8. Контроль давления осуществлялся показывающим по месту и регистрирующим манометрами на пульте управления.

Из газгольдера воздух поступал по системе трубопроводов на технологические нужды, в том числе в отделение очистки СО2 от горючих примесей. В это отделение воздух из газгольдера отводился по трубопроводу диаметром 150 мм в нагнетательную линию турбокомпрессора СО2 типа «Бабета», работающую под давлением 2,3 МПа и являющуюся одновременно приемной линией дожимного до 10,0 МПа поршневого компрессора (4ДВК-210-10); подводимый воздух предназначался для продувки системы компремирования и через нее технологической линии от СО2 перед ремонтом.

По окончании ремонта технологической установки был включен турбокомпрессор СО2 и через 10 мин при движении давления в линии нагнетания 2,3 МПа был включен поршневой компрессор с регулировкой на режимное давление 10,0 МПа. После пуска центробежного компрессора СО2 давление в воздушном газгольдере стало возрастать; при этом манометр со шкалой 0,8 МПа на пульте управления «зашкалило». Диоксид через неплотно закрытый вентиль из нагнетательного трубопровода, работающего центробежного компрессора по воздушной линии поступал в воздушный газгольдер. Давление газа в газгольдере возрастало в течение 4 ч, что привело к разрушению газгольдера от превышения давления.

Поступление СО2 в воздушный газгольдер подтверждается снижением температуры воздуха до 0°С за счет дросселирования СО2 с давлением нагнетания центробежного компрессора до давления в газгольдере.

В областях низких давлений ударной волны разрушено до 100% остекления в шести производственных зданиях, находящихся на расстоянии м от места установки взорвавшегося газгольдера; незначительные повреждений остекления (до 10%) отмечались в домах жилых кварталов, расположенных в 2500 м от места взрыва.

Большую опасность представляли разлетающиеся осколки оболочки газгольдера.

Химические взрывы в оборудовании

Экзотермические химические реакции проводят в технологических системах (реакторах), сбалансированных по тепловому режиму. Выделяемое при реакции тепло отводится внешним хладагентом через стенки теплообменных элементов с нагретыми продуктами реакции или с избыточным сырьем за счет его испарения и т. д. Устойчивое протекание реакционного процесса обеспечивается равенством скоростей тепловыделения и теплоотвода. Скорость реакции и соответственно притока тепла возрастает по степенному закону с ростом концентрации реагентов и быстро увеличивается при повышении температуры.

При выходе химической реакции из-под контроля возможны следующие механизмы взрывов .

1. Если реакционная масса представляет собой конденсированные ВВ, при достижении критической температуры возможна детонация продукта; при этом взрыв будет происходить по механизму взрыва точечного заряда ВВ в оболочке. Энергия взрыва будет определяться тротиловым эквивалентам всей массы ВВ в системе.

2. В условиях газофазных процессов возможно термическое разложение газов или взрывное горение газовой смеси; их следует рассматривать как взрывы газов в замкнутых объемах с учетом реальных энергетических потенциалов и тротиловых эквивалентов.

3. В жидкофазных процессах возможен вариант аварийного взрывного энерговыделения: перегрев жидкости и повышение давления пара над ней до критического значения.

Общая энергия взрыва облака будет равна сумме эквивалентов теплот сгорания паров, имеющихся в системе и дополнительно образующихся при испарении жидкости.

Причинами выхода из-под контроля экзотермической химической реакции часто являются снижение теплопритока в жидкофазных периодических процессах с большими массам и реагирующих веществ и ограниченные возможности теплоотвода обычными методами. К таким процессам относится, в частности, полимеризация в массе мономера, при которой скорость реакции регулируется обычными методами, а также дозировкой инициирующих веществ. На случай выхода процесса из-под контроля дополнительно предусматривают ввод в реакционную массу веществ, снижающих скорость или подавляющих экзотермическую реакцию.

Некоторые вещества могут полимеризоваться более или менее самопроизвольно, и обычные реакции полимеризации будут экзотермическими. Если мономер - летучий, как это часто бывает, достигается стадия, при которой может произойти опасное повышение давления. Иногда полимеризация может протекать только при повышенных температурах, но для некоторых веществ, таких, как этиленоксид, полимеризация может начаться при комнатной температуре, особенно когда исходные соединения загрязняются веществами, ускоряющими полимеризацию.

Подобные аварии происходили при полимеризации винилхлорида и других мономеров, в хранилищах хлоропрена и в железнодорожных цистернах с жидким хлором, углеводородами и другими активными соединениями, когда в них ошибочно закачивали вещества, взаимодействующие с содержащимися в них продуктами . При значительном превышении тепловыделения по сравнению с теплоотводом при таких авариях происходит полное раскрытие технологической системы, при котором резко уменьшается давление, снижается скорость химической реакции или она совсем прекращается. В этом случае общий энергетический потенциал составляет сумму эквивалентов энергий сгорания паров (газов), находящихся над жидкостью и образующихся в результате испарения под действием тепла перегрева жидкости до температуры, соответствующей критическим условиям разрушения системы.

Так же самый простой случай взрыва - это процесс разложения, который дает газообразные продукты . Один из примеров - пероксид водорода , который разлагается со значительной теплотой реакции, давая водяной пар и кислород:

2Н2О2 ->2Н2О + О2 - 23,44 ккал/моль

Как бытовой продукт пероксид водорода продается в виде 3%-ного водного раствора и представляет незначительную опасность. Иначе дело обстоит с пероксидом водорода «высокой пробы», концентрация которого составляет 90% или более. Разложение такой Н2О2 ускоряется рядом веществ, что используется в качестве реактивного топлива или в газовой турбине для накачки топлива к главным двигателям.

Одним из примеров может служить окислительно-восстановительные реакции и конденсации :

1). Окислительно-восстановительные реакции, в которых воздух или кислород реагирует с восстановителем, весьма обычны и составляют основу всех реакций горения. В тех случаях, когда восстановитель является недиспергированным твердым веществом или жидкостью, реакции горения протекают недостаточно быстро, чтобы стать взрывными. Если твердое вещество мелко раздроблено или жидкость находится в виде капелек, то возможен быстрый рост давления. Это может привести в условиях замкнутого объема к росту избыточного давления вплоть до 0,8 МПа.

2). Реакции конденсации весьма распространены. Они особенно широко применяются в производстве красок, лаков и смол, где служат основой процессов в реакторах непрерывного действия со змеевиками для нагрева или охлаждения. Зарегистрировано много примеров неконтролируемых реакций, обусловленных тем, что скорость переноса тепла в таких сосудах является линейной функцией разности температур между реакционной массой и охладителем, тогда как скорость реакции - это экспоненциальная функция температуры реагента. Однако благодаря тому, что скорость выделения тепла, будучи функцией концентрации реагентов, во время протекания реакции уменьшается, нежелательный эффект до некоторой степени компенсируется.

Таким образом, энергия взрыва, вызванного выходом из-под контроля экзотермической химической реакции, зависит от характера технологического процесса и его энергетического потенциала. Такие процессы, как правило, оснащаются соответствующими средствами управлений и противоаварийной защиты, что снижает возможность развития аварии. Однако химические реакции часто являются источником неуправляемого высвобождения энергии в аппаратуре, в которой не предусмотрен организованный теплоотвод. В этих условиях начавшиеся самоускоряющиеся химические реакции неизбежно приводят к разрушению технологических систем.

Статистика аварий

В таблице 1 представлены данные об авариях, связанных с взрывами внутри технологического оборудования.

Таблица 1 - Перечень произошедших аварий

Дата и место аварии	Вид аварии	Описание аварии и основные причины	Масштабы развития аварии, максимальные зоны действия поражающих факторов	Число пострадавших	Источник информации

г. Ионава	Взрыв резервуара-хранилища	В результате полимеризации винилацетата выделилось тепло, достаточного для создания разрушительного давления.	Разрушение резервуара.
	Разрушение аппарата окисления	При выходе из-под контроля экзотермической реакции окисления изопропилбензола воздухом произошло разрушение аппарата от резкого подъема давления.	Разрушение аппарата.
склад Сумгаитского ПО	Взрыв сферического резервуара	Вследствие начавшегося процесса полимеризации бутадиена произошло разрушение резервуара.	Врыв резервуара повлек за собой взрыв цистерны. Осколками повреждены соседние резервуары и здание.

Продолжение таблицы 1


	Взрыв газгольдера	Взрыву газгольдера предшествовало медленное повышение давления до предела текучести стали.	На расстоянии м от газгольдера 100% разрушено остекление, 2500 м – 10%.
02.1990 Новокуйбышевское НПЗ	Взрыв сосуда	Сосуд разрушился в результате превышения давления паров пропан-бутановой фракции в сепараторе.	Разрушение емкости по сплошному металлу обечайки.
	Взрыв реактора	В результате экзотермической химической реакции разложения нитромассы и превышения давления произошел взрыв реактора.	Разрушено здание, в котором находился реактор.
07.1978 Сан-Карлос	Разрыв оболочки автоцистерны		Осколки разлетелись на расстояние 250 м, 300 м, 50 м. Тягач оказался на расстоянии 100м.
07.1943 Людвигсгафене,	Взрыв цистерны	Из-за превышения гидравлического давления	Разрушение оболочки.

Продолжение таблицы 1


Германия		разрушилась цистерна, содержащая бутан-бутиленовой смеси.
07.1948 Людвигсгафене, Германия	Взрыв цистерны диметилового эфира	Из-за превышения гидравлического давления разрушилась цистерна.	Разрушение оболочки.
10.02.1973 Нью-Йорк, США	Взрыв в резервуаре	При ремонте резервуара взорвались пары природного газа от искры.	Разрушение резервуара.	40 человек погибло, 2 пострадали.
24.10.1973 Шеффилд, Англия	Взрыв подземного резервуара	Взрыв остатков вещества от оборудования для резки материалов пламенем.	Радиус разрушений составил около полукилометра.	3 человека погибло, 29 получили ранения
19.12.1982 г. Каракас, Венесуэла	Взрыв резервуара	На складе нефтехранилища взорвался резервуар с 40 тыс. т топлива	Горящая нефть хлынула в город и в море. Загорелся танкер в бухте и взорвался еще один резервуар на берегу.	140 человек погибло, пострадало более 500.
20.06.2001 Каталония, Испания	Взрыв резервуара	Взрыв резервуара с техническим спиртом произошел на химическом предприятии.		2 человека погибло

Методика расчета

При взрывах оборудования основным поражающим фактором является ударная воздушная волна .

При оценке параметров аварийного взрыва емкости с инертным газом (смесью газов) допускается, что оболочка имеет сферическую форму. Тогда напряжение в стенке сферической оболочки определяется по формуле:

σ = ΔP · r/(2d), (1)

где σ – напряжение в стенке сферической оболочки, Па;

ΔP – перепад давлений, Па;

r – радиус стенки оболочки, м;

d – толщина стенки оболочки, м.

Преобразование формулы (1) позволяет рассчитать разрушающее давление (условие разрушения - σ ≥ σв):

ΔP = 2d · σв/ r, (2)

где σв – временное сопротивление разрушению материала, Па.

Давление парогазовой смеси в емкости:

Р = ΔP + Р0, (3)

где Р0 – атмосферное давление, 0,1·106 Па.

Уравнение изэнтропы:

Р/Р0 = (ρ/ρ0)γ, (4)

где γ – показатель адиабаты газа;

ρ0 – плотность газа при атмосферном давлении, кг/м3,

ρ – плотность газа при давлении в емкости, кг/м3.

Плотность газа при давлении в емкости определяется после преобразования уравнения изэнтропы (4):

ρ = ρ0 · (Р/Р0)1/γ, (5)

Полная масса газа:

С = ρ · V, (6)

где V – объем парогазовой смеси, м3.

При взрыве емкости под внутренним давлением Р инертного газа (смеси газов) удельная энергия Q газа:

Q= ΔP/[ρ · (γ - 1)] (7)

В случае сжатого взрывоопасного газа:

Q = Qв + ΔP/[ ρ· (γ - 1)], (8)

где Qв – удельная энергия взрыва газовой смеси, Дж/кг.

Тротиловый эквивалент взрыва емкости с газом составит:

qтнт = Q · С/ Qтнт, (9)

где Qтнт – удельная энергия взрыва тротила, равная 4,24·106 Дж/кг.

Эквивалент по ударной волне оценивается с коэффициентом 0,6:

qу. в. = 0,6 · qтнт (10)

q = 2 · qу. в. (11)

Избыточное давление на фронте ударной волны (ΔРфр, МПа) на расстоянии R определяется по формуле для сферической УВВ в свободном пространстве :

где , R – расстояние от эпицентра взрыва до реципиента, м.

В таблице 2 представлены значения предельно допустимого избыточного давления ударной волны при сгорании газо-, паро - или пылевоздушных смесей в помещении или открытом пространстве , для которых подбираются расстояния для определения зон поражения.

Таблица 2 – Предельно допустимые избыточные давления при сгорании газо-, паро - или пылевоздушных смесей в помещении или открытом пространстве

Степень поражения	Избыточное давление, кПа
Полное разрушение зданий (смертельное поражение человека)
50 %-ное разрушение зданий
Средние повреждения зданий
Умеренные повреждения зданий (повреждения внутренних перегородок, рам, дверей и т. п.)
Нижний порог повреждения человека волной давления
Малые повреждения (разбита часть остекления)

Импульс волны давления, кПа·с:

Формулы (12,13) справедливы при условии ≥0,25.

Условная вероятность поражения избыточным давлением, развиваемым при взрыве парогазовоздушных смесей, человека, находящегося на определенном расстоянии от эпицентра аварии, определяется с помощью «пробит–функции» Pr, которая рассчитывается по формуле :

Pr = 5 – 0,26·ln(V) , (14)

где

Связь функции Рr с вероятностью Р той или иной степени поражения находится по таблице 3 .

Таблица 3 – Связь вероятности поражения с функцией «пробит»

Основной целью расчетов по данной методике является определение радиусов зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека и определение вероятности поражения людей, находящихся на определенном расстоянии от эпицентра взрыва.

Примеры расчетов

Физические взрывы

Пример №1

Взрыв шарового газгольдера сжатого воздуха объемом V = 600 м3 произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Взрыв произошел при давлении Р = 2,3 МПа. Плотность газа при нормальном давлении ρ = 1,22 кг/м3, показатель адиабаты γ = 1,4. Оценить последствия взрыва сжатого воздуха в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 50 м.

Решение :

Определяется перепад давлений, преобразовав формулу (3):

ΔР = 2,3 - 0,1 = 2,2 МПа

Рассчитывается плотность газа по уравнению (5):

ρ = 1,22 · (2,3/0,1)1/1,4 = 11,46 кг/м3

Полная масса газа:

С = 11,46 · 600 = 6873 кг

Q = 2,2 / = 0,48 МДж/кг

qтнт = 0,48 · 6873 / 4,24 = 778 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу. в. = 0,6 · 778 = 467 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · 467 = 934 кг

Результаты расчета приведены ниже (таблица 4).

Таблица 4 – Радиусы зон воздействия УВВ

ΔРфр, кПа

Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 50 м:

50/(9341/3) = 5,12

ΔРфр = 0,084/5,12 + 0,27/5,122 + 0,7/5,123 = 31,9 кПа.

I = 0,4 · 9342/3/50 = 0,76 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 50 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(31,9·103))8,4 + (290/(0,79·103))9,3 = 0,0065

Pr = 5 - 0,26 · ln(0,0065) = 6,31

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 50 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 91%.

Пример №2

Взрыв шарового газгольдера диоксида углерода объемом V = 500 м3 (радиус сферы 4,95 м) произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат изготовлен из стали 09Г2С толщиной стенки 16 мм и рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Временное сопротивление разрушения материала σв = 470 МПа. Плотность газа при нормальном давлении ρ = 1,98 кг/м3, показатель адиабаты γ = 1,3. Оценить последствия взрыва сжатого диоксида углерода в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 120 м.

Решение:

Разрушающее давление определяется по формуле (2):

ΔP = 2 · 0,016 · 470/4,95 = 3 МПа

Определяется давление парогазовой смеси в емкости по формуле (3):

Р = 3 + 0,1 = 3,1 МПа

Рассчитывается плотность газа по уравнению (5) при давлении Р:

ρ = 1,98 · (3,1/0,1)1/1,3 = 28,05кг/м3

Полная масса газа:

С = 28,05 · 550 = 14026 кг

По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 3 / = 0,36 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва газа составит:

qтнт = 0,36 · 14026 / 4,24 = 1194 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу. в. = 0,6 · 1194 = 717 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · 717 = 1433 кг

Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.

Результаты расчета приведены ниже (таблица 5).

Таблица 5 – Радиусы зон воздействия УВВ

ΔРфр, кПа

120/(14333) = 10,64

ΔРфр = 0,084/10,64 + 0,27/10,642 + 0,7/10,643 = 10,9 кПа.

I = 0,4 · 14332/3/120 = 0,42 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 120 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(10,9*103))8,4 + (290/(0,42*103))9,3 = 0,029

Pr = 5 - 0,26 * ln(0,029) = 5,92

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 120 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 82%.

Химические взрывы

Пример №1

Из хранилища объемом V = 1000 м3 был слит толуол для проведения ремонта. В начале сварки произошел взрыв паров толуола. Плотность паров по воздуху при нормальном давлении ρ = 3,2, показатель адиабаты γ = 1,4, ВКПВ - 7,8 % об., теплота взрыва газа 41 МДж/кг. Оценить последствия взрыва (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 100 м.

Решение :

В хранилище атмосферное давление Р = 0,1 МПа.

Плотность паров:

ρ = 3,2 · 1,29 = 4,13 кг/м3

Объем пара находится через ВКПВ (считается, что весь объем заполнен смесью с концентрацией паров толуола, соответствующей ВКПВ):

V = 1000 · 7,8/100 = 78 м3

Полная масса газа:

С = 4,13 · 78 = 322 кг

По формуле (8) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 41 + 1/ = 41,06 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва составит:

qтнт = 41,06 · 322 / 4,24 = 3118 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу. в. = 0,6 · 3118 = 1871 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · 1871 = 3742 кг

Результаты подсчета давлений и импульсов приведены ниже (таблица 6).

Таблица 6 – Радиусы зон воздействия УВВ

ΔРфр, кПа

100/(37421/3) = 6,44

ΔРфр = 0,084/6,44 + 0,27/6,442 + 0,7/6,443 = 22,2 кПа.

I = 0,4 · 37422/3/100 = 0,96 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 100 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(22,2·103))8,4 + (290/(0,96·103))9,3 = 0,14

Pr = 5 - 0,26 · ln(0,14) = 5,51

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 100 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 69%.

Пример №2

Взрыв железнодорожной цистерны объемом V = 60 м3, заполненной на 80 % толуолом, произошел в результате удара молнии. Плотность газа при нормальном давлении ρ = 4,13 кг/м3, показатель адиабаты γ = 1,4, ВКПВ – 7,8 % об., теплота взрыва газа 41 МДж/кг. Давление в цистерне Р = 0,1 МПа. Оценить последствия взрыва (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 30 м.

Решение :

Объем газа определяется через коэффициент заполнения и ВКПВ (считается, что весь объем заполнен смесью с концентрацией паров толуола, соответствующей ВКПВ):

V = 60 · 0,2 · 0,078 = 0,936 м3

Полная масса газа:

С = 4,13 · 0,936 = 3,9 кг

По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 41 + 0,9/ = 41,1 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва составит:

qтнт = 41,1 · 3,9 / 4,24 = 37,4 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу. в. = 0,6 · 37,4 = 22,4 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2· 22,4 = 44,8 кг

Результаты подсчета давлений и импульсов приведены ниже (таблица 7).

Таблица 7 – Радиусы зон воздействия УВВ

ΔРфр, кПа

Для определения вероятности поражения человека на расстоянии R по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 30 м:

30/(44,81/3) = 8,4

ΔРфр = 0,084/8,4 + 0,27/8,42 + 0,7/8,43 = 14,9 кПа.

I = 0,4 · 44,82/3/30 = 0,17 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 70 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(14,9·103))8,4 + (290/(0,17·103))9,3 = 161

Pr = 5 - 0,26·ln(161) = 3,7

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 30 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 10%.

Список использованной литературы

1. Челышев теории взрыва и горения. Учебное пособие – М.: Министерство обороны СССР, 1981. – 212 с.

2. Взрывные явления. Оценка и последствия: В 2-х книгах. Книга 1. Пер. с англ./ – М.: Мир, 1986. – 319 с.

3. Бесчастнов взрывы. Оценка и предупреждение – М.: Химия, 1991. – 432 с.

5. http://www. Пресс-Центр. ru

6. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Учебное пособие. Книга 2. и др. – М.: Изд. АСВ, 1996. – 384с.

7. ГОСТ Р 12.3.047-98 ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.

8. РД Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей.

9. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения/, и др. – М.: Химия, 1990. – 496 с.

10. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости. Справочник/под ред. -Агалакова – М.: Изд-во мин. коммунального хоз-ва, 1956. – 112 с.

11. , Носков и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

12. Бережковский и транспортирование химических продуктов. – Л.: Химия, 1982. – 253 с.

13. , Кондратьева безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств. – Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение, 1988. – 303 с.

14. Справочник металлиста. В 5-ти т. Т. 2. Под ред. , – М.: Машиностроение, 1976. – 720 с.

Приложения

Приложение А

Таблица А1 - Свойства газов и некоторых жидкостей

Название	Плотность вещества, кг/м3 (при 20 оС)	Плотность по воздуху газа (пара)*	Коэффициент адиабаты


Ацетилен




Диоксид азота
Диоксид углерода
Кислород



Пропилен

Примечание: Для определения плотности паров используется плотность воздуха при 0 оС.

Приложение Б

Таблица Б1 - Конструкционные материалы

Материал	Предел прочности, σв МПа	Назначение
Ст3пс, Ст3сп (гр. А)		Для деталей машин, станков, резервуаров.
		Для хранения разбавленной азотной и серной кислоты, раствора аммиачной селитры и аналогичных веществ с плотностью 1400 кг/м3.
		Для хранения агрессивных химических продуктов плотностью 1540 кг/м3.
		При изготовлении трубопроводов и аппаратов. Резервуары для хранения сжиженных газов, железнодорожные цистерны.


		Трубопроводы, давление до 100 кгс/см2.
		Северного исполнения для деталей машин.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Иркутский государственный университет путей сообщения

Красноярский институт железнодорожного транспорта

Контрольная работа

Дисциплина: Транспортная безопасность

Расчет размеров взрывоопасных зон избыточного давления взрыва ТВС при авариях с СУГ

Выполнил:

студент заочной формы

Титов Е.Н.

Красноярск 2015 г.

аварийный разгерметизация взрыв пожарный

Определить радиус взрывоопасной зоны при аварийной разгерметизации стандартной цистерны емкостью 54 м 3 с сжиженным пропаном при получении пробоины площадью S 0 = 34 см 2 и при мгновенной разгерметизации цистерны (проливе всего количества СУГ).

1. Масса газа в облаке ТВС при длительном истечении СУГ из цистерны определяется по формуле (3.6):

М р = 36 · 520 · 0,0034 · 1/2 = 2630 кг.

2. Радиус загазованности при S 0 = 34 см 2 определяется по формуле (3.1).

Х нкпр = 14,6 · (2630/1,78 · 2) 0,33 = 132,7 м

Аналогичный результат можно получить без расчета по таблицам, где при S 0 = 38 см 2 расход газа равен G = 3 кг · с -1 . При таком расходе газа и скорости ветра 0,5 м/с глубина зоны загазованности составит 100 м. По упрощенной формуле для оперативных расчетов (3.3) получается приближенный результат:

Х нкпр = 92 · 2,63 0, 33 = 127 м.

3. При мгновенной разгерметизации цистерны и степени заполнения цистерны е = 0,9, согласно п. 3.1.3 масса паров (М р) в облаке для низкокипящих СУГ определяется по формуле (3.4):

М = 0,9 · 54 · 0,52 = 25 т;

М р = 0,62 · М = 0,62 · 25 = 15,5 т.

Радиус взрывоопасной зоны по формуле (3.3) составит:

Х нкпр = 92 · М р 0,33 = 92 · 15,5 0,33 = 230 м.

По формуле (3.1) получается более точный результат:

Х нкпр = 14,6 · (15500/1,78 · 2) 0,33 = 238 м

Для оперативных расчетов результат, полученный по формуле (3.3) практически не отличается от результата расчета по формуле (3.1) и может быть принят за основу при расчетной температуре воздуха t р, 28 0 C.

В условиях низких температур воздуха плотность паров СУГ растет, а радиус загазованной зоны уменьшается незначительно. Так, например, при t р = -40 0 C с п, = 2,3 кг · м -3 радиус взрывоопасной зоны Х нкпр = 220 м. Поэтому приведенные выше упрощенные формулы можно использовать для практических расчетов.

Определить радиус зон поражения и величину избыточного давления во фронте ударной волны при взрыве облака ТВС при аварии цистерны с пропаном.

1. Определяются границы зон поражения при истечении СУГ из пробоины.

Масса газа в облаке ТВС принимается по п. 1.1 Примера 1:

М р = 2630 кг = 2,63т.

Границы зон поражения людей:

тяжелые поражения - R 1 = 32 · 2,63 1/3 = 44м,

порог поражения - R 2 = 360 · 2,63 1/3 = 496 м.

Границы повреждения зданий:

полные разрушения - R 1 = 32 · 2,63 1/3 = 44 м,

сильные разрушения - R 2 = 45 · 2,63 1/3 = 62 м,

средние разрушения - R 3 = 64 · 2,63 1/3 = 88 м,

умеренные разрушения - R 4 = 120 · 2,66 1/3 = 166 м,

малые повреждения - R 5 = 360 · 2,66 1/3 = 496 м.

2. Определяются относительные величины расстояний Х р и величины избыточного давления ДP на расстояниях примера.

Относительная величина расстояния определяется по формуле (3.8):

Х р = R 1 / (0,42 · М р) 1/3 = R 1 / (0,42 · 2,63) 1/3 = R 1 /1,0.

для людей: R 1 = 44 м, ДP = 100 кПа;

R 2 = 496 м, ДP = 3 кПа;

для зданий: R 1 = 44 м, Х р = 44 м, ДP = 100 кПа;

R 2 =62 м, Х р = 62 м, ДP = 55 кПа;

R 3 = 88 м, Х р = 88 м, ДP = 30 кПа;

R 4 = 166 м, Х р = 166 м, ДP = 15 кПа;

R 5 = 496 м, Х р = 496 м, ДP = 3 кПа.

Полученные результаты совпадают с данными с небольшими отклонениями.

3. При мгновенной разгерметизации цистерны масса газа в облаке ТВС составляет М р = 15,5 т. Границы зон поражения с соответственно изменятся, а величины избыточного давления ДP останутся без изменения. Ниже приводятся результаты расчетов по изложенной выше методике для людей. Границы зон поражения:

тяжелые поражения - R 1 = 32 · 15,5 1/3 = 80 м,

порог поражения - R 2 = 360 · 15,5 1/3 = 900 м.

Относительная величина расстояния определяется по формуле (3.8)%.

Х р = R 1 / (0,44 · 15,5) 1/3 = R 1 /1,8.

Значения величин Х р и ДP составят:

R 1 = 80 м, Х р = 80/1,8= 44; ДP = 100 кПа;

R 2 = 900 м, Х р = 900/1,8= 500; ДP = 3 кПа.

Определить ожидаемую плотность теплового излучения на расстоянии r = 33 м от пожара пролива ЛВЖ.

Исходные данные:

В результате разгерметизации трубопровода произошла утечка и загорание бензина на площади 34 м 2 . Скорость ветра незначительна.

Для расчета диаметра и радиуса пламени используется формула (3.25):

d n = (4 · S p /р) 0,5 =(4 · 33/3,14) 0,5 = 3,4 м; r п = 10 м.

Определяется средне поверхностная плотность теплового излучения факела пламени: Е = 130 кВт/м 2 . По формуле (3.27) определяется коэффициент облученности ц между факелом пламени и элементарной площадкой на поверхности облучаемого объекта:

По формуле (3.26) определяется величина плотности теплового излучения q на расстоянии 21 м от пожара: q = Е · ц = 130 · 0,033 = 4,3 кВт · м -2 . Данное значение плотности теплового излучения не вызывает воспламенение горючих материалов.

Определить ожидаемую плотность теплового излучения на расстоянии r = 80 м от огненного шара и оценить опасность излучения. Исходные данные:

В результате столкновения двух цистерн с СУГ произошел пожар пролива вещества.

От теплового воздействия пожара пролива произошел взрыв второй цистерны с нагрузкой 24 т СУГ с образованием огненного шара.

По формулам (3.28) - (3.30) определяются масса огненного шара, его радиус и время существования:

М ош = 0,6 · М = 0,6 · 24 = 14,4 т;

t ош = 4,5 · М ош 1/3 =4,5*2,4= 10,8 с.

По формуле (3.27) определяется ц коэффициент облученности между факелом пламени и элементарной площадкой на поверхности облучаемого объекта при r п = R ош = 70м и r = 80м:

По Приложению 5 определяется средне поверхностная плотность теплового излучения факела пламени Е = 200 кВт/м 2 . По формуле (3.26) определяется величина плотности теплового излучения q на заданном расстоянии: q = Е · ц = 200 · 0,206 = 41,2кВт · м -2 . Данное значение плотности теплового излучения при времени облучения 10,8 с не вызывает воспламенение горючих материалов. Вероятность поражения людей тепловым потоком зависит от индекса дозы теплового излучения (I), который определяется из соотношения (3.31):

I = t ом · (1000 · q) 4/3 = 10,8· (1000 · 41,2) 4/3 = 1,62 · 10 7 .

Доля пораженных тепловым излучением определяем составляет около 50%, получивших ожоги II степени, и 15%, получивших смертельное поражение.

Провести оценку пожарной обстановки при аварии с ЛВЖ и СУГ на сортировочной станции.

Исходные данные:

При проведении маневренных работ произошло столкновение цистерны с ЛВЖ (керосин) и цистерны, содержащей СУГ (пропан). Цистерны стандартные объемом соответственно 61,2 и 54 м 3 , загрузка ЛВЖ 42 т, загрузка СУГ 24 т, степень заполнения 0,85.

В результате столкновения цистерна с ЛВЖ получила пробоину площадью 37см 2 , из которой начал вытекать керосин. Через 60,5 мин. Пролитый керосин воспламенился.

В результате теплового воздействия происходит взрыв цистерны с СУГ с образованием огненного шара.

1) Производится оценка времени и площади разлива ЛВЖ.

Определяем время истечения ЛВЖ. В данном случае при площади пробоины 37 см 2 время полного истечения. Расход керосина из пробоины и средняя скорость определяются по формулам (3.20) и (3.21):

2,22 м · с -1 ,

G = 60 · 2,22 · 800 · 0,0037 = 405 кг · мин -1 .

На 68-ой минуте согласно п. 3.2.6 по формуле (b 1) площадь разлива составит:

S p (ф) = (0,00625 · G) · ф = (0,00625 · 405) · 60,5 = 159 м 2 .

Длина и ширина фронта пожара пролива определяются исходя из условия прямоугольной формы его распространения (п.6.1.4):

где S п - площадь пожара, м 2 ;

а - длина фронта пожара, м;

b - ширина фронта пожара, м.

Ширина фронта пожара при S п = S р = 159 м 2 составляет:

b = (S п /3,5) 1/2 = (159/3,5) 1/2 =5,7 м.

Длина фронта пожара:

а = 3,5 · b = 3,5*5,7=20м.

2) Производится расчет возможного количества вагонов, попавших в зону пожара, в соответствии с п.6.4.

Общее количество вагонов в очаге пожара:

N = S п · К р / S в = 159 · 0,75/80 =2 шт.

количество N к вагонов на крайних железнодорожных путях по длине фронта пожара:

N к = а/(I в + 1) = 20/(12 + 1) = 2 шт.;

количество N ш вагонов на крайних железнодорожных путях по ширине фронта пожара:

N к = b/r жд = 5,7/2 = 3 шт.

Таким образом, в зоне пожара могут находиться 3 цистерны (вагона).

3) Производится расчет зоны опасного воздействия теплового излучения пожара пролива, т.е. зоны возможного распространения пожара при q кр > 12,5 кВт/м 2 .

Масса пролитого керосина согласно п.3.2.6 по формуле (а) составит:

М (ф) = G · ф = 405 · 60,5 = 24,5 т.

В этом случае плотность теплового излучения на расстоянии 50 м составит 12,5 кВт · м -2 . Таким образом, граница опасной зоны (зоны возможного распространения пожара) расположена на расстоянии 50 м от границы пролива. На рис. П. 16.1 показана зона, т.е. при нахождении в зоне возможного распространения пожара горючих материалов произойдет их воспламенение.

4) Через 15-25 мин после начала теплового воздействия пожара пролива на цистерну с СУГ произойдет взрыв этой цистерны с образованием огненного шара. По формулам (3.28) - (3.30) определяются масса огненного шара, его радиус и время существования:

М ош = 0,6 · М = 0,6 · 24= 14,4 т;

R ош = 29 · М ош 1/3 = 29 · 2,4 = 70 м;

t ош = 4,5 · М ош 1/3 = 4,5*2,4=10,8 с.

Полагается, что в зоне радиусом 70 м (радиус огненного шара) все горючие материалы воспламеняются. По формуле (3.27) определяется ц коэффициент облученности ц и величина плотности теплового излучения q (кВт/м 2) на различных расстояниях от огненного шара. Т.к. при величине теплового излучения более 85 кВт/м 2 происходит воспламенение через 3-5 с, полагается, что при времени облучения 11 с (времени существования огненного шара) воспламенение произойдет при q кр = 60 кВт/м 2 . Такой величине плотности соответствует расстояние от поверхности огненного шара - 50 м. Таким образом, зона возможного распространения пожара от воздействия огненного шара составляет 120 м (70 м + 50 м) от цистерны с СУГ (места аварии).

Зоны возможного распространения пожара при аварии с проливом

ЛВЖ и образованием огненного шара (масштаб 1:1000):

1 - пожар пролива ЛВЖ;

2 - зона возможного распространения пожара пролива;

3 - фрагмент зоны возможного распространения пожара от теплового воздействия огненного шара.

Список используемой литературы

1. Методические указания «Определение зон воздействия опасных факторов аварий и пожаров на объектах железнодорожного транспорта» П.Л. Девлишен, В.П. Аксютин, Г.Г. Нестеренко, Г.М. Гроздов, И.Р. Хасанов, Е.А. Москвилин, В.С. Рыжиков. - М, 1997. - 56 с.

2. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. - М.: Металлургия. 1988. - 126 с.

5. Инструкция по организации аварийно-восстановительных работ на железных дорогах Российской Федерации. ЦРБ-353. М.: МПС РФ, 1996. - 32 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Определение радиуса взрывоопасной зоны при аварийной разгерметизации стандартной цистерны со сжиженным пропаном. Расчет величины избыточного давления во фронте ударной волны при взрыве облака топливно-воздушных смесей при аварии цистерны с пропаном.

контрольная работа , добавлен 19.05.2015

Определение избыточного давления при взрыве газовоздушной смеси; избыточного давления во фронте ударной волны; категории взрывоопасности. Оценка степени поражения людей; устойчивости энергоблока ГРЭС к воздействию ЭМИ. Уровень радиации и доза облучения.

контрольная работа , добавлен 14.02.2012

Методика оценки химической обстановки, глубина распространения облака, зараженного АОХВ, на открытой местности. Определение размеров зон наводнений при разрушении гидротехнических сооружений. Значение давления ударной волны при взрыве газовоздушной смеси.

методичка , добавлен 30.06.2015

Поражающие факторы наземного ядерного взрыва и их воздействие на человека. Расчет поражающего действия ударной воздушной волны. Оценка химической обстановки на объекте экономики при разрушении емкости со СДЯВ. Оказание помощи при отравлении аммиаком.

контрольная работа , добавлен 25.05.2013

Давление срабатывания предохранительного клапана в резервуаре. Температура кипения гексана при постоянном давлении. Основные параметры волны давления. Удельная теплоемкость жидкой фазы. Удельная теплота испарения при нормальной температуре кипения.

задача , добавлен 12.06.2015

Определение избыточного давления, ожидаемого в районе при взрыве емкости. Тяжесть поражения людей при взрыве газовоздушной смеси. Зона детонационной волны. Энергия взрыва баллона. Скоростной напор воздуха. Коэффициент пересчета уровня радиации.

контрольная работа , добавлен 14.02.2012

Определение дозы излучения, которую получают рабочие на экскаваторах. Допустимая продолжительность спасательных и других неотложных работ. Определение размеров и площади зоны химического заражения. Радиус действия детонационной волны и продуктов взрыва.

контрольная работа , добавлен 15.06.2013

Методика расчёта степени воздействия ударной волны на объекты и человека при детонационном взрыве газо-паровоздушного облака. Степень теплового воздействия при диффузионном горении горючей жидкости после ее аварийного разлива, при горении огненного шара.

курсовая работа , добавлен 16.11.2010

Оценка устойчивости работы объекта экономики в условиях заражения атмосферы химически опасным веществом. Расчет ударной волны ядерного взрыва. Оценка устойчивости объектов к воздействию ударной волны, возникающей при взрывах газовоздушных смесей.

контрольная работа , добавлен 29.12.2014

Кратковременное высвобождение внутренней энергии, создающее избыточное давление. Особенности физического взрыва и его энергетический потенциал. Тротиловый эквивалент. Определение категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности.

При взрыве ГВС образуется зона ЧС с ударной волной, вызывающей разрушения зданий, оборудования и т. п. аналогично тому, как это происходит от УВ ядерного взрыва. В данной же методике зону ЧС при взрыве ГВС делят на 3 зоны: зона детонации (детонационной волны); зона действия (распространения) ударной волны; зона воздушной УВ.

Зона детонационной волны (зона I ) находится в пределах облака взрыва. Радиус этой зоны r 1 ,м приближенно может быть определен по формуле

где Q - количество взрывоопасной смеси ГВС, хранящейся в емкости, т.

17,5 – эмпирический коэффициент, который позволяет учесть различные условия возникновения взрыва.

В пределах зоны I действует избыточное давление (Δ Рф ), которое принимается постоянным Δ Рф1 = 1700 кПа .

Зона действия УВ взрыва (зона II ) – охватывает всю площадь разлета ГВС в результате ее детонации. Радиус этой зоны:

Избыточное давление в пределах зоны II изменяется от 1350 кПа до 300 кПа и находится по формуле

Δ Рф2= ,

где r – расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки, м.

Рис.1. Зоны чрезвычайной ситуации при взрыве газо-воздушной смеси. r 1 r r

В зоне действия воздушной УВ (зона III ) – формируется фронт УВ, распространяющийся по поверхности земли. Радиус зоны r3>r2, и r3 - это расстояние от центра взрыва до точки, в которой требуется определить избыточное давление воздушной УВ (ΔРф3): r3=r. Избыточное давление в зоне III в зависимости от расстояния до центра взрыва рассчитывается по формуле

Δ Рф3= , при ψ 2 ,

Δ Рф3= , при ψ 2

где ψ =0,24 r 3/ r 1 = (0,24r)/(17,5) – относительная величина.

Степени разрушений элементов объекта при различных избыточных давлениях ударной волны приведены в таблице 4 .

Расстояния от центра взрыва до внешних границ зон разрушения рассчитываются по формуле:

где ψ – определенный коэффициент, который принимаем равным:

– для зоны слабых разрушений ψ 10 = 2,825 ;

– для зоны средних разрушений ψ 20 = 1,749 ;

– для зоны сильных разрушений ψ 30 = 1,317 ;

– для зоны полных разрушений ψ 50 = 1,015 ;

Площади зон разрушения и очага поражения рассчитываем по формуле:

S = π R ²

1.3. Методика расчета параметров зоны чс (разрушений) при взрыве гвс в замкнутых объемах.

Горючие смеси газов (паров) с воздухом (окислителем) образуются в ограниченных объемах технологической аппаратуры, в помещениях промышленных и жилых зданий, вследствие утечки газа по различным причинам и воспламеняются от внешних источников зажигания. Горение ГВС в замкнутых объемах от точечного источника зажигания происходит послойно с дозвуковой скоростью распространения пламени (дефлограционное горение) при повышении давления и температуры во всем объеме. К концу полного выгорания смеси среднее значение температуры в помещении достигает значений в 1,5-2 раза больших, чем при аналогичных взрывах в открытом пространстве.

Избыточное давление взрыва гвс в помещениях можно определить по формуле

Δ Рф = (Мг Q г P 0 Z )/(V св ρ В СВ Т0 К1) = (ρ г Q г P 0 Z )/(ρ В СВ Т0 К1) ,

где Мг = V св ρ г – масса горючего газа, поступившего в помещение в результате аварии, кг;

Q г - удельная теплота сгорания ГВС, Дж/кг;

P 0 – начальное давление в помещении, кПа; его принимают в расчетах P0 = 101 кПа;

Z – доля участия продуктов во взрыве, принимается в расчетах Z = = 0,5 ;

V св – свободный объем помещения, м3; допускается принимать 80% от полного объема помещения, т. е. Vсв = 0,8 Vп;

V п – полный объем помещения, м3;

ρ В – плотность воздуха до взрыва, кг/м3 при начальной температуре Т0, 0К. Рекомендуется принимать в расчетах ρВ = 1,225 кг/м3;

СВ - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·0К); принимают СВ = = 1,01·103 Дж/(кг·0К);

К1 – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения, допускается принимать К1 = 2 или К1 = 3;

Т0 – начальная температура воздуха в помещении, 0К (окислителя).

При расчете параметров волны давления при сгорании газо-, паровоздушного облака использовался программный комплекс «ТОКСИ+Risk. Оценки риска и расчета последствий аварий на производственных объектах» (в соответствии с Приложением 3 к пункту 18 Методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (Приложение к МЧС РФ от 10 июля 2009 г. № 404)).

Основными структурными элементами алгоритма расчетов являются:

определение ожидаемого режима сгорания облака;
расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных волн давления для различных режимов;
определение дополнительных характеристик взрывной нагрузки;
оценка поражающего воздействия.

Ожидаемый режим сгорания облака зависит от типа горючего вещества и степени загроможденности окружающего пространства.

Для расчета были приняты следующие условия:

облако ТВС расположено на поверхности земли;
класс горючих веществ по степени чувствительности для нефти — 3 – средне чувствительные вещества (по нефти), для газа — 2 – чувствительные вещества (по пропану) для склада пропановых баллонов, 4 – слабо чувствительные вещества (по метану) для газопровода;
класс окружающего пространства по степени загроможденности III – средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк.

В случае образования паровоздушной смеси в незагроможденном технологическим оборудованием пространстве и его зажигании относительно слабым источником (например, искрой) сгорание этой смеси происходит, как правило, с небольшими видимыми скоростями пламени. При этом амплитуды волны давления малы и могут не приниматься во внимание при оценке поражающего воздействия. В этом случае реализуется так называемый пожар-вспышка, при котором зона поражения высокотемпературными продуктами сгорания паровоздушной смеси практически совпадает с максимальным размером облака продуктов сгорания (т.е. поражаются в основном объекты, попадающие в это облако).

Радиус воздействия высокотемпературных продуктов сгорания паровоздушного облака при пожаре-вспышке производится с использованием программного комплекса «ТОКСИ+Risk. Оценки риска и расчета последствий аварий на производственных объектах» (в соответствии с формулой П3.67 Приложения 3 к пункту 18 Методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (Приложение к МЧС РФ от 10 июля 2009 г. № 404)).

Результаты расчета параметров волны давления при сгорании ТВС в открытом пространстве приведены в таблице 14.

Результаты расчета зон действия поражающих факторов при взрыве облака ТВС в открытом пространстве

№ оборудования по схеме	№ сценария	Расстояние (r, м) от геометрического центра топливовоздушного облака до границы зоны с заданным избыточным давлением, кПа						Радиус воздействия высокотемпературных продуктов сгорания при «пожаре-вспышке», м
№ оборудования по схеме	№ сценария	100	53	28	12	5	3
Площадка фильтров-грязеуловителей ФГ-1…2	С3	—	—	6	16	41	71	—
Резервуар товарной нефти РВС-4500 Р1…Р3	С3 (первичное облако)	—	—	37	110	273	476	—
Резервуар товарной нефти РВС-4500 Р1…Р3	С3 (вторичное облако)	—	—	22	64	160	278	—
Площадка регулирования давления	С3	—	—	6	16	41	71	—
Площадка путевого подогревателя	С3	—	—	6	16	41	71	—
Склад пропановых баллонов	С5	—	8	12	21	46	96	—
Резервуар аварийного топлива для котельной	С3	—	—	6	16	41	71	—
Площадка для АЦ для сбора нефти (поз. 12.1…12.3)	С3	—	—	6	16	41	71	—
Газопровод высокого давления Д 89х6 мм	С5	Максимальное избыточное давление взрыва 2,0 кПа						17

В таблице 15 приведены значения критического давления для людей, находящихся в зданиях (согласно Руководству по оценке пожарного риска для промышленных предприятий).

Значения критического давления для людей, находящихся в зданиях

Вид воздействия	Давление воздействия, кПа
Люди, находящиеся в неукрепленных зданиях, погибнут в результате прямого поражения УВ, под развалинами зданий или вследствие удара о твердые предметы	190
Наиболее вероятно, что все люди, находящиеся в неукрепленных зданиях, либо погибнут, либо получат серьезные повреждения в результате действия взрывной волны, либо при обрушении здания или перемещении тела взрывной волной	69 ¸ 76
Люди, находящиеся в неукрепленных зданиях, либо погибнут или получат серьезные повреждения барабанных перепонок и легких под действием взрывной волны, либо будут поражены осколками и развалинами здания	55
Обслуживающий персонал получит серьезные повреждения с возможным летальным исходом в результате поражения осколками, развалинами здания, горящими предметами и т.п. Имеется 10 %-я вероятность разрыва барабанных перепонок	24
Возможна временная потеря слуха или травмы в результате вторичных эффектов взрывной волны, таких, как обрушение зданий, и третичного эффекта переноса тела. Летальный исход или серьезные повреждения от прямого воздействия взрывной волны маловероятны	16
С высокой надежностью гарантируется отсутствие летального исхода или серьезных повреждений. Возможны травмы, связанные с разрушением стекол и повреждением стен здания	5,9 ¸ 8,3

В таблицах 16 и 17 приведены значения критического давления для разрушения ударной волной тех или иных элементов зданий и для повреждений некоторых промышленных конструкций (согласно Руководству по оценке пожарного риска для промышленных предприятий).

Значения критического давления для разрушения ударной волной тех или иных элементов зданий

Характер повреждений элементов зданий	DР, кПа
Разрушение остекления	2 ¸ 7
Разрушение перегородок и кровли:
деревянных каркасных зданий	12
кирпичных зданий	15
железобетонных каркасных зданий	17
Разрушение перекрытий:
деревянных каркасных зданий	17
промышленных кирпичных зданий	28
промышленных зданий со стальным и железобетонным каркасом	30
зданий с массивными стенами	42
Разрушение стен:
шлакоблочных зданий	22
деревянных каркасных зданий	28
кирпичных зданий со стенами в 1,5 кирпича	40
зданий с массивными стенами	100
Разрушение фундаментов	215 ¸ 400

Значения критического давления для повреждений некоторых промышленных конструкций

Характер повреждений промышленных конструкций	DР, кПа
Незначительное повреждение стальных конструкций каркасов, ферм	8 ¸ 10
Разрушение стальных каркасов, ферм и перемещение оснований	20
Разрушение промышленных стальных несущих конструкций	20 ¸ 30
Разрушение опорных структур резервуаров	100
Перемещение цилиндрических резервуаров, повреждение трубопроводов	50 ¸ 100
Повреждение ректификационных колонн	35 ¸ 80
Незначительные деформации трубопроводных эстакад	20 ¸ 30
Перемещение трубопроводных эстакад, повреждение трубопроводов	35 ¸ 40
Разрушение трубопроводных эстакад	40 ¸ 55

В таблице 18 приведено предельно допустимое избыточное давление при сгорании газо-, паровоздушных смесей в помещениях или в открытом пространстве (согласно Приложения 4 к пункту 20 Методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах).

Предельно допустимое избыточное давление при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей в помещениях или в открытом пространстве

В таблице 19 приведены значения показателя избыточного давления, вызывающего различные виды разрушений зданий, согласно .

Значения показателя избыточного давления, вызывающего различные виды разрушений

Тип зданий, сооружений	Степень разрушения при избыточном давлении на фронте падающей ударной волны, кПа
Тип зданий, сооружений	Слабое	Среднее	Сильное	Полное
Промышленные здания с легким каркасом и бескаркасной конструкцией	10-25	25-35	35-45	>45
Складские кирпичные здания	10-20	20-30	30-40	>40
Одноэтажные складские помещения с металлическим каркасом и стеновым заполнением из листового металла	5-7	7-10	10-15	>15
Бетонные и железобетонные здания и антисейсмические конструкции	25-35	80-120	150-200	>200
Здания железобетонные монолитные повышенной этажности	25-45	45-105	105-170	170-215
Котельные, регуляторные станции в кирпичных зданиях	10-15	15-25	25-35	35-45
Деревянные дома	6-8	8-12	12-20	>20
Подземные сети, трубопроводы	400-600	600-1000	1000-1500	>1500
Трубопроводы наземные	20	50	130	—
Кабельные подземные линии	до 800	—	—	>1500
Цистерны для перевозки нефтепродуктов	30-50	50-70	70-80	>80
Резервуары и емкости стальные наземные	35-55	55-80	80-90	>90
Подземные резервуары	40-75	75-150	150-200	>200

Слабые разрушения — частичное разрушение внутренних перегородок, кровли, дверных и оконных коробок, легких построек и др. Основные несущие конструкции сохраняются. Для полного восстановления требуется капитальный ремонт.

Средние разрушения — разрушение меньшей части несущих конструкций. Большая часть несущих конструкций сохраняется и лишь частично деформируется. Может сохраняться часть ограждающих конструкций (стен), однако при этом второстепенные и несущие конструкции могут быть.

Сильные разрушения — разрушение большей части несущих конструкций. При этом могут сохраняться наиболее прочные элементы здания, каркасы, ядра жесткости, частично стены и перекрытия нижних этажей. При сильном разрушении образуется завал. В большинстве случаев восстановление нецелесообразно.

Полные разрушения — полное обрушение здания, от которого могут сохраниться только поврежденные (или неповрежденные) подвалы и незначительная часть прочных элементов. При полном разрушении образуется завал. Здание восстановлению не подлежит.

В таблице 20 приведены воздействия ударной волны на человека согласно «Чрезвычайные ситуации техногенного характера. Прогнозирование и оценка: детерминированные методы количественной оценки опасностей техносферы» .

Воздействие ударной волны на человека

Рф, кПа	Степень поражения	Характер поражения
Свыше 100	Крайне	Безусловное смертельное поражение. Получаемые травмы очень часто приводят к смертельному исходу
60-100	Тяжелая	Сильная контузия всего организма, повреждение внутренних органов и мозга, тяжелые переломы конечностей. Возможен смертельный исход.
40-60	Средняя	Серьёзные контузии, повреждение органов слуха, кровотечение из носа и ушей, сильные вывихи и переломы конечностей.
20-40	Легкая	Легкая общая контузия организма, временное повреждение слуха, ушибы и вывихи конечностей

Расчет

радиусов зоны детонации r0 при взрыве участков газопроводов

Исходные данные :

d = 1,42 м; Рг = 7,5 МПа; t = 400С; W = 1 м/с; m=0,8.

Расчет:

1..gif" width="167" height="42"> = 254 м3/кг.

3. М = = 148,1 кг/с.

4. r0 = 12,5 = 152 м.

Отсюда зона детонации будет равна: 2r0= 304 м (с каждой стороны трассы газопровода).

Используя таблицу 21 получаем радиус зоны возможных сильных разрушений, границы которой определяются величиной избыточного давления 50 кПа:

r = 4r0 =608 м

Аналогичные расчёты выполнены и для других участков газопроводов. Полученные данные сведены в таблицу 22:

Таблица 22 - Радиусы зон поражения при воздействии избыточного давления
Степень поражения	Избыточное давление,	Радиус зоны, м для газопроводов

Радиус зоны детонации r0
Разрушение зданий:
Полное разрушение зданий
50 %-ное разрушение зданий
Средние повреждения зданий
Умеренные повреждения зданий

Поражения людей:
Крайне тяжелые
Тяжелые травмы
Средние травмы
Легкие травмы
Пороговые поражения

Расчет вероятных зон действия поражающих факторов при разрушении (разгерметизации) технологического оборудования котельных (А-2)

В результате разрушения газопроводов и технологического оборудования с горючими веществами возможен их выброс внутрь здания или на открытую площадку с образованием газопаровоздушной смеси (ГПВС). Серьезную опасность для персонала, и технологического оборудования представляет взрыв образовавшейся ГПВС.

Процесс горения со стремительным высвобождением энергии и образованием при этом избыточного давления (более 5 кПа) называется взрывным горением.

Различают два принципиально разных режима взрывного горения: дефлаграционный и детонационный.

При дефлаграционном горении распространение пламени происходит в слабо возмущенной среде со скоростями значительно ниже скорости звука, давление при этом возрастает незначительно.

При детонационном горении (детонации) распространение пламени происходит со скоростью, близкой к скорости звука или превышающей ее.

Инициирование (зажигание) газовоздушной смеси с образованием очага горения возможно при наличии источника зажигания.

К основным факторам, влияющим на параметры взрыва, относят: массу и тип взрывоопасного вещества, его параметры и условия хранения или использования в технологическом процессе, место возникновения взрыва, объемно-планировочные решения сооружений в месте взрыва.

Взрывы на котельной можно разделить на две группы - в открытом пространстве и производственном помещении.

Аварии со взрывом могут произойти на пожаровзрывоопасных объектах. К пожаровзрывоопасным объектам относятся объекты, на территории или в помещениях которых находятся (обращаются) горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости и горючие пыли в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные горючие смеси, при горении которых избыточное давление в помещении может превысить 5 кПа. В этом случае газо-, паро-, пылевоздушная смесь займет частично или полностью весь объем помещения.

Котельная:

Сценарий С-1 : (Разгерметизация технологического оборудования, утечка газа, воспламенение на месте выброса, ликвидация горения).

Масса природного газа, который может поступить в котельную – 12 кг.

Природный газ не токсичен. Однако из-за того, что газ не пригоден для дыхания, то он может представлять опасность для персонала внутри помещения котельной. Необходимо соблюдать правила пожарной безопасности , не пользоваться открытым огнём и использовать средства индивидуальной защиты (изолирующий противогаз). При этом от удушья может погибнуть 1 человек из числа персонала котельной.

Сценарий С-2 (Разгерметизация технологического оборудования, утечка газа, воспламенение на месте выброса, горение).

Исходные данные:

Частота реализации сценария год -1: 4*10-5

Масса вещества, кг: 12

Рассматриваемые сценарии:

Пожар утечки.

Результаты расчета:

(поражающие факторы пожара не выйдут за пределы котельной)

Сценарий С-3 (Разгерметизация оборудования, утечка газа, воспламенения на месте выброса нет, образование облака ТВС, источник зажигания, взрыв ТВС с ударной волной).

Исходные данные:

Частота реализации сценария год -1: 1*10-5

Наименование вещества: природный газ

Масса вещества, кг: 12

Тип (класс) взрывоопасного вещества: 4 класс .

Класс окружающего пространства: 3 класс .

Режим взрывного превращения облака: 5 режим.

Рассматриваемые сценарии:

Взрыв ТВС.

Результаты расчета.

Таблица 23 - Радиусы зон поражения при воздействии избыточного давления
Степень поражения	Избыточное давление,	Радиус зоны, м
Разрушение зданий:
Полное разрушение зданий
50 %-ное разрушение зданий
Средние повреждения зданий
Умеренные повреждения зданий
Малые повреждения (разбита часть остекления
Поражения людей:
Крайне тяжелые
Тяжелые травмы
Средние травмы
Легкие травмы
Пороговые поражения

Расчёты погибших, пострадавших и ущерб при ЧС на объектах и сетях газового хозяйства:

Расчёт количества погибших и пострадавших:

Для определения возможного числа пострадавших при поражении людей опасными поражающими факторами возможных аварийных ситуаций зоны воздействия опасных факторов сопоставляются с объектами воздействия и количеством людей, которые могут находиться в данных зонах.

Число летальных исходов поражения определяется исходя из значений условной вероятности поражения человека опасными факторами аварии. Условные вероятности поражения человека опасными факторами аварии определяются на основании значений пробит-функции, рассчитываемых по ГОСТ Р 12.3.047-98. Кроме того, согласно Методическим рекомендациям МЧС России от 01.01.2001 № . для расчёта количества погибших и пострадавших использована таблица 24 «Приближённая оценка плотности населения с, чел./га»:

Таблица 24 - Приближённая оценка плотности населения с, чел./га (чел/м2):

Описание территории
Район фермерских хозяйств, хутора	5/0,0005
Усадьбы	10/0,001
Деревни, зона индивидуальной застройки