Модели и методики оценки последствий взрывов на химически опасных объектах. Методика оценки последствий аварийных взрывов топлив. Лекция 13_ред_2015 (2). Лекция 13. Модели и методики оценки последствий взрывов на химически опасных объектах. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливновоздушных смесей назначение,

• Название: Лекция 13. Модели и методики оценки последствий взрывов на химически опасных объектах. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливновоздушных смесей назначение,
• Анкор: Модели и методики оценки последствий взрывов на химически опасных объектах. Методика оценки последствий аварийных взрывов топлив
• Дата: 17.01.2023
• Размер: 391.44 Kb.
• Имя файла: Лекция 13_ред_2015 (2).docx
• Тип: Лекция; #890345
• страница: 1 из 3

Лекция 13. Модели и методики оценки последствий взрывов на химически опасных объектах. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей: назначение, основные расчетные соотношения, области применения при проектировании химических производств
Для проектирования химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств с учетом требований промышленной безопасности широко используются модели и методики оценки последствий взрывов топливно-воздушных смесей.

Ряд моделей [1 – 5] предназначен для грубой детерминированной оценки основных параметров поражающих факторов взрыва – давления во фронте ударной волны или массы горючего, участвующего во взрыве и возможных зон разрушений и повреждений, другие модели и методики [3,4,5] предполагают более точные расчеты зависимостей зон разрушений, повреждения зданий и сооружений и поражения людей различной степени тяжести от нескольких поражающих факторов – давления во фронте ударной волны, импульса фазы сжатия. Кроме того, в этих методиках учитываются ожидаемые режимы взрывного превращения, определяемые в зависимости от класса опасности вещества и класса окружающего пространства.

Взрыв – неконтролируемый быстропротекающий процесс выделения энергии, связанный с физическим, химическим или физико-химическим изменением состояния вещества, приводящий к резкому динамическому повышению давления или возникновению ударной волны, сопровождающийся образованием сжатых газов, способных привести к разрушительным последствиям [4, 6].

В химической и нефтехимической промышленности взрывам подвержены, как правило, топливно-воздушные смеси (ТВС) опасных веществ. Чтобы при воспламенении смеси произошел взрыв, необходимо, чтобы концентрация топлива в облаке лежала в пределе от 0,5 НКПВ до ВКПВ (включительно). При концентрации ниже 0,5 нижнего концентрационного предела воспламенения (НКПВ) не происходит зажигания смеси, а концентрация выше верхнего концентрационного предела воспламенения (ВКПВ) приводит к горению облака с поверхности, т.е. к явлению горения огненного шара.

Очевидно, для того, чтобы топливно-воздушная смесь достигла состояния, при котором ее воспламенение приведет к взрыву, необходимо, чтобы прошло некоторое время с момента выброса опасного вещества в окружающую среду. Минимальная продолжительность разбавления исходной, 100% по веществу субстанции, напрямую зависит от метеоусловий. Таким образом, взрыв - это последствие отложенного (не мгновенного) воспламенения.

Рассмотрим одну из наиболее распространенных моделей – модель TNT (тринитротолуола – тротила) [5].

Основным положением модели является допущение об эквивалентности рассматриваемого вещества и тротила. Для известной массы вещества тротиловый эквивалент W (кг) рассчитывается по следующему соотношению [5]:

      (1)

В соотношении (1): – эмпирический показатель эффективности взрыва; M – масса топлива, кг; – удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг; – удельная теплота сгорания тротила, 4437-4765 кДж/кг.

Безусловно, важным моментом расчета является выбор величины показателя эффективности взрыва. Наиболее распространенной экспертной оценкой является величина от 0,02 до 0,05. Авторами пособия [5] также высказано предложение принимать величину показателя в соответствии с реакционной способностью веществ, например, 0,05 для пропана, 0,1 для диэтилового эфира и 0,15 для ацетилена.

Для определения основных параметров взрывной волны, таких как избыточное давление (Па), время достижения взрывной волны рассматриваемой точки пространства (мс), длительность фазы сжатия (мс), импульс взрывной волны (Па*с), следует воспользоваться аналитическим выражением для расчета параметров ударной волны на различном приведенном расстоянии Z от эпицентра взрыва:

      (2)

В соотношении (2): φ - интересующая функция ( - избыточное давление (кПа), - импульс (Па∙с), - время достижения взрывной волной заданной концентрации (мс), - длительность фазы сжатия (мс)); a, b - эмпирические коэффициенты (см. таблицу 1); Z - приведенное расстояние ( ). Величина Z рассчитывается следующим образом:

      (3)

В соотношении (3): R - расстояние от эпицентра взрыва до места измерения параметров.

Таким образом, модель позволяет рассчитать параметры ударной волны, но не позволяет рассчитать зоны разрушений и поражения различной степени тяжести.

Таблица 1

К расчету параметров уравнения (2), модель TNT



В соответствии с рекомендациями [6] расчет зон поражения, разрушения (последствий взрыва) необходимо применять при выборе технических мероприятий по защите объектов и персонала от ударно-волнового воздействия взрыва парогазовых сред, а также твердых и жидких химически нестабильных соединений (перекисные соединения, ацетилениды, нитросоединения различных классов, продукты осмоления, трихлористый азот), способных взрываться.

Расчеты размеров зон поражения следует проводить по одной из двух методик:

1) методика оценки зон поражения, основанная на «тротиловом эквиваленте» взрыва ТВС [4, 6]

2) методика, учитывающая тип взрывного превращения (детонация/дефлаграция) при воспламенении ТВС [4].

Методика расчета «тротилового эквивалента» дает ориентировочные значения участвующей во взрыве массы вещества без учета дрейфа облака ТВС. В данной методике приняты следующие условия и допущения.

1) В расчетах принимаются общие приведенные массы парогазовых сред m и соответствующие им энергетические потенциалы E, полученные при определении категории взрывоопасности технологических блоков согласно приложению №2 к [6].

Общая масса горючих паров (газов) взрывоопасного парогазового облака m, приведенная к единой удельной энергии сгорания, равной 46000 кДж/кг:

(4)
Относительный энергетический потенциал взрывоопасности Q_в технологического блока находится расчетным методом по формуле:

(5)

По значениям относительных энергетических потенциалов Q_в и приведенной массе парогазовой среды m устанавливаются категории взрывоопасности технологических блоков.

Показатели категорий приведены в таблице №2.

Таблица №2

Показатели категорий взрывоопасности технологических блоков

Категория взрывоопасности	Qв	m, кг
I	>37	>5000
II	27-37	2000-5000
III	<27	<2000

Для конкретных реальных условий значения m и Е могут определяться другими методами с учетом эффекта диспергирования горючей жидкости в атмосфере под воздействием внутренней и внешней энергий, характера раскрытия технологической системы, скорости истечения горючего продукта в атмосферу и других возможных факторов.

Масса твердых и жидких химически нестабильных соединений W_k определяется по их содержанию в технологической системе, блоке, аппарате.

2) Масса парогазовых веществ, участвующих во взрыве, определяется произведением

(6)

где z – доля приведенной массы парогазовых веществ, участвующих во взрыве.

В общем случае для неорганизованных парогазовых облаков в незамкнутом пространстве с большой массов горючих веществ доля участия во взрыве может приниматься равной 0,1. В отдельных обоснованных случаях доля участия веществ во взрыве может быть снижена, но не менее чем до 0,02.

Для производственных помещений (зданий) и других замкнутых объемов значения z могут приниматься в соответствии с таблицей №3.

Таблица №3

Значение z для замкнутых объемов (помещений)

Вид горючего вещества	z
Водород	1,0
Горючие газы	0,5
Пары легковоспламеняющихся и горючих жидкостей	0,3

3) Источники воспламенения могут быть постоянные (печи, факелы, невзрывозащищённая электроаппаратура) или случайные (врмененные огневые работы, транспортные средства), которые могут привести к взрыву парогазового облака при его распространении.

4)Для оценки уровня воздействия взрыва может применяться тротиловый эквивалент. Тротиловый эквивалент взрыва парогазовой среды W_T (кг), определяемый по условиям адекватности характера и степени разрушения при взрывах парогазовых облаков, а так же твердых и жидких химически нестабильных соединений рассчитывается по формулам:

Для парогазовых сред

или (7)

где 0,4 – доля энергии взрыва парогазовой среды, затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны;

0,9 – доля энергии взрыва тринитротолуола (ТНТ), затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны;

- удельная теплота сгорания парогазовой среды, кДж/кг;

– удельная энергия взрыва ТНТ, кДж/кг.
Для твердых и жидких химически нестабильных соединений

, (8)

где W_k – масса твердых и жидких химически нестабильных соединений;

- удельная энергия взрыва твердых и жидких химически нестабильных соединений.

5) Зоной разрушения считается площадь с границами, определяемыми радиусами R, центром которой является рассматриваемый технологический блок или наиболее вероятное место разгерметизации технологической системы. Границы каждой зоны характеризуются значениями избыточных давлений по фронту ударной волны Р и соответственно безразмерным коэффициентом К.

Таблица №4

Классификация зон разрушения

Классы зон разрушения	К	Р, кПа	Вероятные последствия, характер повреждений зданий и сооружений
1	3,8	≥100	Полное разрушение зданий с массивными стенами
2	5,6	70	Разрушение стен кирпичных зданий толщиной в 1,5 кирпича; перемещение цилиндрических резервуаров; разрушение трубопроводных эстакад
3	9,6	28	Разрушение перекрытий промышленных зданий; разрушение промышленных стальных несущих конструкций; деформации трубопроводных эстакад
4	28	14	Разрушение перегородок и кровли зданий; повреждение стальных конструкций каркасов, ферм
5	56	≤2	Граница зоны повреждений зданий; частичное повреждение остекления

Радиус зоны разрушения (м) в общем виде определяется выражением:

, (9)

где К – безразмерный коэффициент, характеризующий воздействие взрыва на объект.

При массе паров m более 5000 кг радиус зоны разрушения может определяться выражением:

, (10)

Для выполнения практических инженерных расчетов радиусы зон разрушения могут определяться выражением

, (11)

где при m≤5000 кг

(12)

Или при m> 5000 кг

(13)

В соответствии с детерминированным подходом в ряде нормативных и справочных документов [6,7,8,9] даются справочные таблицы разрушений различных объектов, находящихся на территории ОПО. Эта информация представлена в таблицах 2-5 в разделе Дополнительная справочная информация к лабораторной работе 3.

Для более точных расчетов зон разрушения и оценки риска взрыва рекомендуется использовать следующие соотношения [6,10].

Масса вещества, способного участвовать во взрыве, определяется путем интегрирования концентрации выброшенного при аварии горючего вещества по пространству, ограниченному поверхностями и по формуле:

, (14)

где x,y,z – пространственные переменные, _ВКПР и _НКПР – поверхности в пространстве достижения соответственно верхнего и нижнего концентрационных пределов, - распределение концентрации в момент времени t₀, кг/м³; t₀ – момент времени воспламенения или момент времени, когда во взрывоопасных пределах находится максимальное количество топлива, с.

Общие рекомендации по оценке последствий взрывов ТВС [4]

Для количественной оценки параметров воздушных ударных волн при взрывах ТВС рекомендуется рассматривать частичную разгерметизацию и полное разрушение оборудования, содержащего горючее вещество в газообразной или жидкой фазе, выброс этого вещества в окружающую среду, образование облака ТВС, инициирование ТВС, взрывное превращение (горение или детонация) в облаке ТВС.

В образовании облака ТВС рекомендуется рассматривать горючее вещество одного вида, в противном случае (для смеси нескольких горючих веществ) характеристики ТВС, используемые при расчетах параметров ударных волн, определяются отдельно.

Для расчета параметров ударных волн при взрыве облака ТВС рекомендуется учитывать следующие исходные данные:

а) характеристики горючего вещества, содержащегося в облаке ТВС;

б) агрегатное состояние ТВС (газовое или гетерогенное);

в) средняя концентрация горючего вещества в смеси с_г;

г) стехиометрическая концентрация горючего газа с воздухом с_ст;

д) масса горючего вещества, содержащегося в облаке (более точно: масса горючего вещества в облаке, участвующая в создании поражающих факторов взрыва) М_г (если эта величина неизвестна, то ее расчет рекомендуется проводить согласно приложению №3 к Федеральным нормам и правилам в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» [6]), т.е. руководствоваться рекомендациями, рассмотренными ранее в настоящей лекции (см. формулы (4), (6), (14)).

е) удельная теплота сгорания горючего вещества q_г;

ж) информация об окружающем пространстве.

В качестве основных структурных элементов алгоритма расчетов рекомендуется рассматривать:

а) определение массы горючего вещества, содержащегося в облаке;

б) определение эффективного энергозапаса ТВС;

в) определение ожидаемого режима взрывного превращения ТВС;

г) расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных ударных волн для различных режимов;

д) определение дополнительных характеристик взрывной нагрузки (профиля ударной волны, параметров падающей и отраженной волны при детонации облака газовой смеси);

е) оценка поражающего воздействия взрыва ТВС (зон разрушения различной степени тяжести и поражения человека).

Определение эффективного энергозапаса ТВС

Эффективный энергозапас горючей смеси (Е, Дж) определяется по соотношению:

(15)

или

(16)

где М_Г – масса горючего вещества, содержащегося в облаке ТВС, кг; q_Г – удельная теплота сгорания газа, Дж/кг; - концентрация горючего вещества в облаке ТВС, кг/м³; - стехиометрическая концентрация вещества в смеси с воздухом, кг/м³.

При расчете параметров облака, лежащего на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается (в соответствии с рекомендациями [4,6]). Для расчета параметров ударной волны при дефлаграции гетерогенных облаков величина эффективного энергозапаса смеси домножается на коэффициент , где – степень расширения продуктов сгорания. Для газовых смесей =7, для гетерогенных =4[6].

Для оценки объема газового облака ТВС (V, м³) можно воспользоваться простым соотношением:
(17)

Массу, участвующую во взрыве для дрейфующего облака, рекомендуется определять на момент времени, когда взрывоопасный объем дрейфующего облака достигает источников возможного воспламенения или если распределение источников воспламенения по территории неизвестно, то на момент времени, когда взрывоопасная масса при дрейфе достигает своего максимального значения. Определение массы, участвующей во взрыве для дрейфующего облака, рекомендуется выполнять в соответствии с Руководством по безопасности «Методика моделирования распространения аварийных выбросов опасных веществ», утвержденным приказом Ростехнадзора от 20 апреля 2015 г.№159 [10].

Примечания:

Стехиометрическая концентрация горючего вещества в ТВС определяется из справочных данных [1] или рассчитывается отдельно:

, (18)

где – стехиометрические коэффициенты кислорода в реакции сгорания; – числа атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего.

Как правило, в справочных данных [1] стехиометрические концентрации С_ст приводятся в объемных процентах. Для перевода концентрации из объемных долей в единицы (кг/м³) используется соотношение С(кг/м³)=0,01С(%об)∙ρ_г.

Можно также использовать следующие зависимости для перевода единиц измерения концентраций [1]:

1%об=1000 ppm,

где ppm – parfper million by volume (промили). Концентрация С ppm связана с концентрацией в мг/л следующим соотношением:
(19)

где t – температура смеси, ; М – молекулярная масса.

В случае если определение концентрации горючего вещества в смеси затруднено, в качестве величины С_Г в соотношениях (15), (16) принимается концентрация, соответствующая нижнему концентрационному пределу воспламенения горючего газа [6].

Теплота сгорания горючего газа (МДж/кг) в ТВС берется из справочных данных или рассчитываться по формуле [4]:
(20)

Корректировочный параметр β для наиболее распространенных в промышленном производстве опасных веществ определяется из табл. №7 разделе Дополнительная справочная информация к лабораторной работе 3.

При расчетах в ПК ТОКСИ+RISK для большинства имеющихся в БД веществ рекомендуется обращать внимание на единицы измерения.