Прогнозирование последствий аварий на пожаровзрывоопасном объекте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозирование последствий аварий на пожаровзрывоопасном объекте

1. Расчёт степени воздействия ударной волны на объекты и человека при детонационном взрыве газопаровоздушного облака

Участок А

Толуол, метилбензол, фенилметан ()

Физико-химические свойства: жидкость. Молярная масса 92,14 г./моль плотность 866,9 г/м³ при 20^оС; температура кипения +110,6^оС; коэффициент диффузии пара в воздухе см/с; теплота образования 50,17 кДж/моль; теплота сгорания -3771,88 кДж/моль; растворимость в воде 0,06.

Пожароопасные свойства: Легковоспламеняющаяся жидкость. температура самовоспламенения 535^оС: минимальная энергия зажигания 0,26 мДж; максимальное давление взрыва 634 кПа, скорость нарастания давления: средняя 16,5 МПа/с: концентрационные пределы распространения пламени 1,27-6,8%; температурные пределы распространения пламени: нижний 6^оС, верхний 37^оС; скорость выгорания 0,085 кг/(м*с); максимальная нормальная скорость распространения пламени 0,388 м/с. Температура горения 1635 К.

Средства тушения: Вода в виде компактных или распылённых струй, пена.

При аварийном разрушении резервуара с хранящимся нём в нём толуолом над поверхностью образовавшегося разлива формируется облако газопаровоздушной смеси (ГПВС), имеющее плоскую форму, так как молярная масса паров толуола составляет 92 г./моль, что больше молярной массы воздуха, равной 29 г./моль.

Масса паров толуола в облаке складывается из массы вещества, испарившегося с поверхности разлива m_исп и массы насыщенных паров толуола m_н.п., содержащихся изначально в свободном объёме резервуара до момента аварии:

m_г = m_исп + m_н.п.

1.1 Расчёт массы насыщенных паров горючего в резервуаре

Объём насыщенных паров толуола в резервуаре:

, м³ 1.2

где V_рез - объём резервуара, м³

V_ж - объём горючей жидкости в резервуаре, м³;

- объёмная доля насыщенного пара горючей жидкости (в долях от единицы).

Объём горючей жидкости в резервуаре:

, м³

где m_ж - масса жидкости в резервуаре, кг;

_ж - плотность толуола при температуре 10^оС (по справочной таблице приложения 4 находим плотность толуола при 10^оС, равную 867 кг/м³).

Парциальное давление насыщенного пара толуола при температуре 10оС:

,

где А, В, С_А - константы уравнения Антуана, равные соответственно 4.14457. 1377.578 и -50.507 (приложение 1).

Объёмная доля насыщенного пара толуола при 10С:



где P_о - атмосферное давление (по условию равно 98,6 кПа);

Следовательно, в данных условиях:

Молярный объём при температуре 10С (283 К) и давлении 101 кПа

По формуле Менделеева-Клапейрона:

Масса насыщенных паров горючей жидкости в резервуаре:

где V_н.п. - объём насыщенных паров жидкости, м³;

V_м - молярный объём при заданных условиях, м³/кмоль.

1.2 Расчёт массы жидкости, испарившейся с поверхности разлива

Интенсивность испарения толуола в неподвижную среду:

где Р_н.п. - парциальное давление насыщенных паров жидкости, кПа (рассчитывается по формуле 1.5);

М - молярная масса жидкости, кг/кмоль.

Масса толуола, испарившегося с поверхности разлива:

Так как, согласно исходным данным, разлив толуола происходит в пределах обвалования, площадь которого меньше площади разлива на неограниченную поверхность, то принимаем, что площадь разлива равна площади обвалования: F_пр = F_обв. Следовательно:

где W_исп - интенсивность испарения;

_исп - продолжительность испарения до момента воспламенения облака;

F_обв - площадь обвалования.

Следовательно, по формуле 1.1 масса толуола в облаке ГПВС равна:

1.3 Расчёт тротилового эквивалента при детонационном взрыве облака ГПВС

Стехиометрическая концентрация паров толуола в облаке ГПВС:

Уравнение полного горения паров толуола в воздухе:

+ 9 (О₂ + 3,76N₂) 7СО₂ + 4Н₂О + 93,76N₂

Из уравнения реакции видно, что газопаровоздушной смесью в данном случае является смесь + 9 (О₂ + 3,76N₂) - т.е. левая часть уравнения. Следовательно:

где n_г - стехиометрический коэффициент перед горючим веществом;

- сумма стехиометрических коэффициентов компонентов исходной ГПВС.

Объём облака ГПВС:

где V_м - молярный объём при заданных условиях;

m_г - масса толуола в облаке ГПВС.

Плотность стехиометрического облака ГПВС:

где , , - стехиометрические коэффициенты перед горючим веществом, кислородом и азотом соответственно в уравнении реакции полного горения;

М - молярная масса горючего вещества, кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания:

толуол является химическим веществом, имеющим определённую химическую формулу

Для индивидуальных химических веществ низшую теплоту горения определяется через нахождение энтальпии реакции их сгорания.

Энтальпия сгорания вещества есть изменение энтальпии реакции его горения в расчёте на 1 моль (или 1 кмоль).

Энтальпия сгорания:

Для реакции полного горения паров толуола



где , и - стандартные энтальпии образования углекислого газа, паров воды и паров толуола соответственно.

Согласно справочным данным: = -393,5 кДж/моль,

= -242,5 кДж/моль, = 50 кДж/моль.

Следовательно:

Согласно закону Лавуазье-Лапласа, тепловой эффект любой реакции численно равен, но противоположен по знаку изменению энтальпии этой реакции. Следовательно, при стандартных условиях низшая теплота сгорания:

Массовая теплота сгорания стехиометрической ГПВС:

где - плотность стехиометрической смеси.

Тротиловый эквивалент:

где V_ГПВС - объём образовавшегося облака ГПВС, м³;

4184 - теплота взрывчатого разложения 1 кг тротила, кДж/кг.

1.4 Расчёт степени воздействия ударной волны на различные объекты

1) Склад 1 - кирпичное здание (r₁ = 95 м):

Приведённый радиус (по формуле 1.19):

Приведённое давление во фронте ударной волны (по формуле 1.20):

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны (по формуле 1.21):

;

где Р_о - атмосферное давление, кПа.

Так как кирпичное здание склада является большим плоским сооружением, то результирующее воздействие на него будет оказывать давление отражения.

Избыточное давление отражения (по формуле 1.25):



где Р_о - атмосферное давление, равное по условию 101 кПа,

Согласно справочной таблице приложения 8, для складского кирпичного здания:

	Разрушения
	полные	сильные	средние	слабые
Рф, кПа	40-50	30-40	20-30	10-20

Следовательно, на расстоянии 95 м от эпицентра взрыва облака ГПВС помещение склада 1 подвергнется слабым разрушениям: будет разрушена кровля, фонари, оконные переплёты, незначительно повреждены внутренние малопрочные перегородки, разрушено 100% остекления. Значительного физического ущерба людям, находящимся в помещении склада, причинено не будет.

2) Склад 2 - здание из сборного железобетона (r₂ = 105 м):

Приведённый радиус:

Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:



Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Так как здание склада 2 является большим плоским сооружением, то результирующее воздействие на него будет оказывать давление отражения.

Избыточное давление отражения :

Согласно справочной таблице приложения 8, для здания из сборного железобетона:

	Разрушения
	полные	сильные	Средние	слабые
Рф, кПа	30-60	-	20-30	10-20

Следовательно, на расстоянии 105 м от эпицентра взрыва облака ГПВС помещение склада 2 подвергнется слабым разрушениям: будет разрушена кровля, фонари, оконные переплёты, незначительно повреждены внутренние малопрочные перегородки, разрушено 100% остекления. Значительного физического ущерба людям, находящимся в помещении склада, причинено не будет.

3) Административное здание - многоэтажное здание с металлическим каркасом (r₄ = 75 м):

Приведённый радиус:



Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Так как административное здание является большим плоским сооружением, то результирующее воздействие на него будет оказывать давление отражения.

Избыточное давление отражения :

Согласно справочной таблице приложения 8, для здания с металлическим каркасом:



	Разрушения
	полные	сильные	средние	слабые
Рф, кПа	50-60	40-50	30-40	20-30

Следовательно, на расстоянии 75 м от эпицентра взрыва облака ГПВС помещение административного здания подвергнется слабым разрушениям: незначительно повреждены оконные проёмы, разрушено 100% остекления. Однако, согласно данным приложения 9а, может наблюдаться незначительное искривление металлических конструкций. Значительного физического ущерба людям, находящимся в помещении административного здания, причинено не будет.

4) Водонапорная башня (r₅ = 60 м):

Приведённый радиус:

Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Степень разрушения конструкции определяется не только воздействием избыточного давления во фронте ударной волны, но и торможением движения масс воздуха, следующих за фронтом волны. Динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха, называется давлением скоростного напора (или скоростным напором) во фронте ударной волны Р_скф.

Давление скоростного напора (по формуле 1.23):

,

Воздействие скоростного напора на различные объекты в зависимости от условий их укрепления к опорам, фундаментам и т.п. может привести к смещению или опрокидыванию объекта. Совместное воздействие избыточного давления во фронте ударной волны ДР_ф и скоростного напора Р_скф формирует лобовое давление Р_лоб. Лобовое давление рассчитывается только для неодушевлённых объектов, имеющих относительно небольшую площадь контакта с фронтом ударной волны. Так как водонапорная башня является относительно большим неплоским сооружением, то результирующее воздействие на него будет оказывать не давление отражения, а лобовое давление.

Лобовое давление (формула 1.24):

Лобовое давление может вызвать ударную перегрузку, т.е. инерционное разрушение элементов или частей объекта. Однако, как видно из расчётов, отличие лобового давления от избыточного давления во фронте ударной волны при данном значении ДР_ф мало.

Согласно справочной таблице приложения 8, для металлической водонапорной башни:

	Разрушения
	полные	сильные	Средние	слабые
Рф, кПа	60	40-60	20-40	10-20

Следовательно, на расстоянии 60 м от эпицентра взрыва облака ГПВС водонапорная башня подвергнется слабым разрушениям: небольшие вмятины на оболочке; использование возможно после среднего (текущего) ремонта и замены повреждённых элементов.

5) Наземный кольцевой трубопровод К-150 (r₆ = 45 м):

Приведённый радиус:

Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Отличие данной величины от значения лобового давления невелико, следовательно можно делать прогноз разрушений на основании рассчитанного Р_ф.

Согласно справочной таблице приложения 8, для наземного трубопровода:

	Разрушения
	полные	сильные	Средние	слабые
Рф, кПа	-	130	50	20

Следовательно, на расстоянии 45 м от эпицентра взрыва облака ГПВС наземный трубопровод подвергнется слабым разрушениям: частичное повреждение стыков труб, контрольно-измерительной аппаратуры; использование возможно после замены повреждённых элементов.

6) Грузовой автопарк (r₇ = 65 м):

Приведённый радиус:

Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Согласно справочной таблице приложения 8, грузовых машин:

	Разрушения
	полные	сильные	средние	слабые
Рф, кПа	90-130	55-65	30-55	20-30

Следовательно, на расстоянии 65 м от эпицентра взрыва облака ГПВС грузовая автотехника подвергнется слабым разрушениям: частичное разрушение остекления. Опрокидывания техники не будет. Текущего (среднего) ремонта практически не требуется.

7) Линии электропередачи: (r = 95 м):

Для воздушной линии электропередачи низкого напряжения, согласно справочным данным (приложение), слабые разрушения наблюдаются при величине Р_ф 20-60 кПа. На расстоянии 95 м избыточное давление во фронте ударной волны составляет 5 кПа (согласно расчётам в пункте 4). Следовательно, при взрыве ГПВС в данной обстановке обрыв ЛЭП маловероятен.

Зоны разрушений:

В результате бризантного и фугасного воздействия ударной волны условно можно выделить четыре зоны разрушений: зону полных R_I (ДР_ф > 50 кПа), зону сильных R_II (ДР_ф = 30 - 50 кПа), зону средних R_III (ДР_ф = 22 - 30 кПа) и зону слабых R_IV (ДР_ф = 10 - 22 кПа) разрушений. При значении ДР_ф < 10 кПа можно выделить зону лёгких разрушений R_V (ДР_ф = 1 - 10 кПа).

Коэффициент разрушений К_i

Характеристика	RI	RII	RIII	RIV	RV
Ki	? 3,8	3,8 - 5,6	5,6 - 9,6	9,6 - 28	28 - 56

Радиусы зон разрушений (по формуле 1.26):

;

;

;

;

.

Радиус облака ГПВС (по формуле 1.27):

где F_пр - площадь пролива жидкости, м²

Из проведённых расчётов видно, что радиусы зон разрушений R_I, R_II меньше радиуса облака ГПВС.

1.5 Расчёт вероятности поражения человека ударной волной

Группа людей (r₃ = 50 м):

Приведённый радиус:



Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Основными поражающими факторами при воздействии ударной волны на человека является избыточное давление во фронте ударной волны ДР_ф, импульс I и осколочное действие. Величина ДР_ф обуславливает барическое воздействие на человека (т.е. баротравму), а I - метательное воздействие (т.е. опрокидывание или отброс).

Приведённый импульс во фронте ударной волны (формула 1.28):

Следовательно:



Импульс во фронте ударной волны (формула 1.30):

Вероятность гибели людей от метательного воздействия воздушной ударной волны:

где:

Следовательно:

Вероятность гибели людей от разрыва лёгких (баротравмы):

где:



Следовательно:

Согласно справочной таблице приложения 10, рассчитанное значение «пробит» - функции для метательного воздействия воздушной ударной волны: соответствует вероятности поражения человека Q_вп 0%., для вероятности получения баротравмы: соответствует вероятности поражения человека Q_вп 0%.

2. Расчёт степени теплового воздействия на объекты и человека при диффузионном горении горючей жидкости в результате её аварийного разлива

2.1 Линейная скорость выгорания

Горение горючей жидкости в пределах обвалования можно представить как горение в резервуаре большого размера. Для резервуаров достаточно крупных размеров (d > ?):

где М - молярная масса горючей жидкости, кг/кмоль;

с_ж - плотность горючей жидкости при температуре окружающей среды, кг/м³;

л - коэффициент теплопроводности жидкости, кал/(м•с•град);

g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

Т_кип - температура кипения жидкости, К;

с_р - теплоёмкость жидкости, кал/(моль•К);

з - динамическая вязкости жидкости, П (Пуаз);

ДН_исп - теплота испарения жидкости, кал/моль

Q_н - молярная теплота сгорания жидкости, кал/моль.

Учитывая, что 1 кал = 4,1865 Дж, для толуола

Значение Q_н в кДж/моль рассчитано в разделе 1.3.

Остальные данные берутся из справочных таблиц приложения 1-3.

Следовательно, для толуола при t = 10^оС:

Массовая скорость выгорания толуола (по формуле 2.2):

где с_ж - плотность жидкости, кг/м³.

2.2 Расчёт плотности теплового потока на различных расстояниях от эпицентра горения

Массовая низшая теплота сгорания толуола (по формуле 2.4):

,

где - молярная низшая теплота сгорания толуола, рассчитанная в разделе 1.3.

Интенсивность тепловыделения факела пламени (по формуле 2.3):

,

где х_m - массовая скорость выгорания толуола, кг/(м²?с);

F_пр - площадь поверхности разлива толуола, м².

Интенсивность излучения факела пламени (по формуле 2.5):

Доля тепла, расходуемого на излучение факела пламени б_изл, для толуола можно принять равной 0,45:

Условная высота пламени при горении разлива толуола:

+ 9 (О₂ + 3,76N₂) 7СО₂ + 4Н₂О + 93,76N₂

Стехиометрическое отношение воздуха к летучим продуктам горения:

По формуле 2.8:

где - коэффициент перед кислородом в уравнении реакции полного горения толуола - коэффициент перед i-м продуктом горения в уравнении реакции.

Диаметр очага горения:

Рассчитан на основе радиуса разлива по формуле 1.27:

Удельная теплоёмкость воздуха:

Плотность воздуха при t = 10^оС:



Выражение безразмерного параметра (по формуле 2.7):

где - удельная теплоёмкость воздуха, Дж/(кг?К);

Т_в и с_в - температура и плотность окружающего воздуха, К и кг/м³ соответственно;

- массовая теплота сгорания толуола, кДж/кг;

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с²);

q - интенсивность тепловыделения факела пламени, кВт;

d - диаметр очага горения, м;

r - стехиометрическое отношение воздуха к летучим продуктам горения.

Следовательно:

Коэффициент пропускания атмосферы для расстояния r = 40 м (по формуле 2.10):

где ф_атм - коэффициент пропускания атмосферы для теплового излучения;

r - расстояние от группы людей до эпицентра очага горения, м.

Коэффициент облучённости людей факелом пламени:

Из рисунка видно, что величина a соответствует радиусу пролива жидкости (r_пр= 17.8 м), b - расстояние r от заданного объекта или человека до эпицентра горения (r₃ = 40 м).

Следовательно:

;

Плотность теплового потока на расстоянии 40 м от эпицентра горения (по формуле 2.13):

где - интенсивность излучения факела пламени, кВт (формула 2.5);

2.3 Воздействие теплового излучения на объекты и человека

Согласно таблицам приложения 14-17, критические плотности теплового потока для большинства строительных материалов и конструкций, а также для техники, намного превышают рассчитанную величину для r = 40 м. Следовательно, можно сделать вывод, что в данной обстановке помещение склада 1, склада 2, административного здания, водонапорная башня и автотехника находятся на безопасном удалении от очага горения.

Безопасная плотность теплового потока для людей без специальной защиты составляет 1,39 кВт/м². Следовательно, в данном случае группа людей находится в зоне опасного теплового воздействия, так как > 1,39 кВт/м².

Минимальное безопасное расстояние человека от эпицентра очага горения:

1) Приблизительное минимальное безопасное расстояние (по формуле 2.14):

2) Коэффициент облучённости для расстояния :

3) Коэффициент пропускания атмосферы при = 56 м:

4) Плотности теплового потока на расстоянии :

5) Минимальное безопасное расстояние (методом линейной интерполяции по формуле 2.15):

Так как согласно исходным данным, люди находятся на расстоянии, меньшем чем , то для них необходимо рассчитать вероятность теплового поражения. Вероятность поражения человека тепловым излучением.

1) Время пребывания человека в зоне опасного теплового воздействия (формула 2.16):

где - время реакции человека (принимается равным 5 с);

- расстояние человека от зоны, где = 4 кВт/м², м;

- скорость движения человека (принимается равной 5 м/с).

Так как, согласно расчётам, люди находятся в зоне, где 4 кВт/м², то = 0.

Следовательно

2) «Пробит» - функция (формула 2.18):

где - время пребывания человека в зоне опасного теплового воздействия, с.

Так как 0, то вероятность теплового поражения людей на данном удалении равна нулю (Q_вп = 0).

Минимальное безопасное расстояние для прибывших подразделений.

Для людей в специальной защитной одежде, к которой относится в том числе и боевая одежда спасателей, критическая плотность теплового потока равна 4,2 кВт/м². Расстояние от эпицентра горения, которому соответствует данная плотность теплового потока, рассчитывается по формулам 2.14-2.15 методом последовательных приближений с учётом того, что в формулу 2.14 подставляется 4,2 кВт/м²:

1) Приблизительное минимальное безопасное расстояние (по формуле 2.14):

2) Коэффициент облучённости для расстояния :

3) Коэффициент пропускания атмосферы при = 32 м:

4) Плотности теплового потока на расстоянии :

ударный волна взрыв пожаровзрывоопасный

5) Минимальное безопасное расстояние (методом линейной интерполяции по формуле 2.15):

Согласно расчётам в разделе 2.2, при r = 40 м = 2.1 кВт/м².

Следовательно:

.

Размещено на Allbest.ru

...