Требования к информации и методам, необходимым для проведения анализа риска

Степень риска возникновения аварии определяется двумя главными составляющими:

3) масштабами ее последствий;

4) вероятностью (частотой) возникновения этих последствий. Поэтому количественные методики оценки опасности можно разделить на методы расчета последствий реализации опасности (зон разрушения, жертв, ущерба) и вероятностные методы оценки опасности, включая расчеты индивидуального, социального (группового) и экологического риска, называемые иногда собственно методами оценки риска или анализа риска.

Кроме того, указанные методики разделяются в зависимости от поражающего фактора (пожароопасность, взрывоопасность, токсическая опасность) и типа промышленной деятельности (аварии на химических объектах, при транспортных перевозках опасных грузов, нефтегазодобыче, хранении и т.д.).

Одним из самых важных условий внедрения в практику расчетных методов является их информационное обеспечение исходными данными. Эти методики различаются по глубине охвата возможных сценариев аварии, по исходным предположе­ниям (уравнениям) и по объему информации, требующейся для расчета. При этом не всегда более сложные модели или методики, основанные на строгих (фундаментальных) предпосылка и уравнениях, оказываются более точными по сравнению с делями, использующими эмпирические соотношения и коэффициенты.

Для достижения целей риск-анализа и решения всех организационно-технических задач обеспечения безопасности промышленных объектов необходимо располагать большим объемов информации, различающейся по уровню и характеру рассматриваемых объектов. В общем случае для выработки мер обеспечению безопасности необходимая информация должна включать:

—сведения об объекте, производственных процессах;

—данные о токсичных, пожаровзрывоопасных и других физико-химических свойствах используемых веществ;

—данные по надежности оборудования и системам автоматизации;

—нормативно-техническую документацию по безопасности производств;

—методики оценки последствий при пожарах, взрывах, выбросах токсичных веществ;

—методики оценки вероятности возникновения (риска) аварий;

—данные о системах и методах локализации аварийных ситуаций и борьбы с их последствиями и средствах противоаварийной защиты;

—данные о средствах индивидуальной и коллективной защиты персонала и населения;

— данные по авариям и аварийным ситуациям (неполадкам) Для анализа риска, который предназначен для выработки рекомендаций на основе вероятностных оценок опасности, обходимы все вышеперечисленные сведения, хотя в разной пени и на разных этапах проведения анализа. Объем и полис информации зависят от конкретной ситуации, цели, стадий анализа и квалификации экспертов.

Рассмотрим состав необходимой информации для проведения анализа риска в соответствии со схемой на рисунке раздела 4.2. ]

На 1 этапе анализа — идентификация опасностей — необходимо располагать общими сведениями об объекте, включающими: характеристики месторасположения объекта, сведения о местах где находятся опасные установки, нормативный перечень опасных веществ с указанием их пороговых значений, количество опасных веществ на объекте.

На этапе 2 — изучение реализации опасностей — необходимо сполагать сведениями об авариях, включая их подробное описание также детальным описанием технологических процессов.

На этапе 3 — анализ последствий аварий — добавляется необходимость располагать методиками расчета зон поражения, для которых нужны сведения о характере местности, данные о погодных условиях, информация о размещении людей внутри и вне объекта, банки данных по свойствам опасных веществ и их соединений с другими веществами и (или) методы расчета параметров веществ.

На этапе 4 — получение вероятностных оценок риска — необходимо знать частоту предшествующих аналогичных аварий или неполадок, которую можно определить из статистических сведений в банках данных по авариям или неполадкам, располагать данными о надежности оборудования из банков данных по отказам и неполадкам, иметь компьютерные программы (коды) методов «деревьев отказов и событий», располагать методами компьютерной обработки информации.

На этапе 5 — выработка рекомендаций по управлению (снижению) риска — нужно располагать нормативно-технической документацией, регламентирующей безопасное ведение работ. При необходимости рекомендации могут касаться изменения этих нормативов или разработки новых.

Отметим, что ряд сведений, касающихся, например, объекта, свойств веществ, аварийности, используется на нескольких этапах анализа риска. Данное обстоятельство указывает на необходимость создания компьютерных банков данных с программными средствами управления содержащимися в них данными. Обобщая сведения, которые используются на всех этапах, можно представить следующую структуру информации для анализа Риска, которую можно рассматривать как первичную модель структуры информационной системы поддержки анализа риска.

Согласно рис. 7.2 весь объем информации разделен на 6 блоков:

1. «Объект» — информация, включающая данные о месте расположения объекта, сведения о физико-химических процессах и

технологии, численности и размещении персонала, плотности населения, характере местности, метеоусловиях в регионе объекта и др.

7. «Аварии» — сведения, касающиеся аварийности производств данной отрасли.

8. «Свойства веществ» — информация, включающая данные по физико-химическим свойствам и пожаровзрывоопасным и токсичным характеристикам веществ, участвующих в рассматриваемом производстве.

9. «Надежность» — данные по надежности (отказам) оборудования и средств автоматизации технологических процессов.

10.«НТД» — нормативно-техническая документация по безопасности производств.

11.«Методики» — модели описания, методы расчета аварий, компьютерные коды (программы) оценки риска аварий.

Рис. 7.2. Общая структура информации, необходимой для анализа риска

Эти блоки не являются изолированными и могут, в свою очередь, подразделяться на составные части.

Рассмотрим более подробно состав информации отдельно по этапам анализа риска, в соответствии с предложенными схемами и с сохранением нумерации блоков.

На рис. 7.3 представлена общая структура данных при идентификации (выявлении) опасностей объекта.

Как видно, на данном этапе необходимы данные двух блоков общей структуры информации — «Объект» и «Свойства веществ». Кратко поясним состав информации по пунктам.

Для идентификации и предварительного анализа опасности крупных аварий на промышленных объектах необходимо определить наличие опасных веществ (ОВ) на установках объекта. Для этого можно использовать приведенный в законе «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» перечень опасных веществ с указанием их пороговых значений. Данные о количестве опасных веществ на объекте необходимы для выяснения степени опасности объекта.

Сведения о процессах и технологии касаются выявления опасных установок, например, сосудов высокого давления, химических реакторов, трубопроводов, использующих опасные вещества. Сбор этих сведений осуществляется на основе проектно конструкторской документации. Для оперативности идентификации и разработки компьютерных кодов полезно располагать классификатором типовых технологических схем и оборудования. К сведениям об опасностях, обусловленных месторасположением объекта, относятся данные о наличии рядом расположенных опасных промышленных объектов, способных воздействовать на данный объект по типу «домино» (техногенные опасности), а также о существовании природных опасностей (горных обвалов, затоплений и др.), которые также могут быть источником промышленной аварии;

На этапе изучении условия реализации опасности проводится выявление возможного сценария аварии, которое иногда требует дополнительного исследования свойств веществ и экспериментального моделирования аварии в лабораторных и полигонных условиях. На рис. 7.4 представлена общая структура данных при изучении условий реализации опасности.

Рис.7.4 Структура информации при изучении условий реализации опасности.

Перечисленная информация об объекте, касающаяся технологических сведений, необходима для выявления критических режимов эксплуатации оборудования, опасных воздействий и опасных состояний, которые возможны при отклонении от нормативного регламента производства.

Данные по авариям включают в себя причины, обстоятельства возникновения и развития аварий и неполадок на данном или аналогичных объектах, которые можно получить из банков данных или из материалов расследования технических причин аварий. Результаты научных исследований (отчеты, статьи, дополнительные исследования) нужны для уточнения сценариев аварий.

Для данного этапа необходимы, в основном, общие свойства веществ (агрегатное состояние, температура плавления, кипения, совместимость с компонентами, классы по токсичности и пожаровзрывоопасности и т.п.). Численные значения этих характеристик интересуют экспертов, как правило, лишь для сравнения значений характеристик используемых веществ с параметрами других веществ, например, по степени взрывоопасности или летучести, а также для сопоставления их с параметрами технологического процесса (температуры, давления, скоростей потоков и пр.).

Этап анализа последствий характеризуется подключением расчетных методик оценки опасности, а именно, расчета зон токсического, термического, ударно-волнового (фугасного), осколочного поражения, а также оценки материального, экономического и экологического ущерба. Информация, необходимая для расчета (рис. 7.5), определяется на основе выявленных, на предыдущем этапе наиболее вероятных сценариев аварии.

Данные об окружающей объект местности, персонале, населении требуются для расчета действия поражающих факторов при аварии.

Сведения о территории внутри и вне объекта включают:

—характеристику месторасположения промышленного объекта с указанием размеров и границ его территории, доступности средств, используемых при локализации и ликвидации аварий;

—характеристику опасных установок, источников повышенной температуры с указанием координат их размещения на территории объекта и вне его;

—характеристику сооружений, предназначенных для защиты людей от токсичных веществ, взрыва и пожара.

Сведения о плотности размещения персонала и населения вокруг объекта включают:

- информацию о плотности размещения персонала и максимальном количестве людей, которые могут одновременно находиться на территории промышленного объекта и подвергнуться опасности, в том числе численность персонала на объекте – по проекту, фактически, по сменам, с указанием среднего, минимального и максимального числа работающих;

аходиться на территории промышленного объекта и под­вергнуться опасности, в том числе численность персонала на объекте — по проекту, фактически, по сменам, с указанием среднего, минимального и максимального числа работающих;

— данные о распределении плотности населения на территории вне объекта (размер этой территории определяется на основе предварительной оценки зон поражения), в том числе с учетом временных факторов (времени суток, сезонов и пр.).

Данные для расчета выбросов должны содержать информацию о преобладающих погодных условиях и характере распространения облаков при аварийных выбросах опасных веществ.

Численные данные о свойствах веществ могут быть получены путем расчета исходя из значений температуры и давления среды, скорости истечения, плотности и т.п. или из таблиц (банков данных). Объем этих показателей определяется конкретной ситуацией. На основе существующих методов определения физико-химических свойств можно предложить следующий перечень основных характеристик опасных веществ.

1. Общие сведения: химическое название, брутто-формула, структурная формула, синонимы названия, состав (для смеси), агрегатное состояние вещества при нормальных условиях, цвет, группа горючести, плотность, молекулярная масса, температуры фазовых переходов.

2 Пожаровзрывоопасные характеристики: температура вспышки, температура воспламенения, температура самовоспламенения, температурный предел воспламенения (верхний), температурный предел воспламенения (нижний), область воспламенения (% об.),минимальная энергия зажигания, максимальное давление взрыва нормальная скорость распространения пламени, склонность к детонации (критический диаметр, скорость детонации, теплота взрыва) категория взрывоопасности смеси (ГОСТ 12.1.II-78), чувствительность к механическим воздействиям (ГОСТ 45-45-88)).

3 Токсичные характеристики ГОСТ 12.1.005-76, 12.1.007-76:средняя смертельная концентрация в воздухе, средняя смертельная доза при попадании на кожу, ПДК в воздухе рабочей зоны, коэффициент возможного ингаляционного отравления, степень опасности веществ по воздействию на организм, максимально допустимые концентрации (время действия 10, 30, 60 мин.).

4. Физико-химические данные: теплота сгорания, энтальпия образования, уравнение состояния, теплота испарения, теплота фазового перехода, теплоемкость, давление насыщенного пара, вязкость, коэффициент поверхностного натяжения жидкости, теплопроводность, корродирующее действие по отношению к стандартным конструкционным материалам, реакционная способность.

Помимо вышеперечисленных стандартных показателей, иногда необходимо располагать сведениями по нестандартным (исследовательским) методикам типа параметров чувствительности к статэлектричеству, лучу огня, прострелу и т.п.

Расчет вероятности возникновения аварии, индивидуального, группового (социального), экологического рисков является ключевым и наиболее сложным этапом анализа риска. Для решения этой задачи должны быть известны вероятности возникновения исходных событий,,

В общем случае принято считать, что основными причинами отказов и аварий сложных технических систем являются ошибки человека в совокупности с отказом оборудования. Источником данных по вероятностям отказов в системе «человек—машина» являются:

1) данные по надежности (отказам) оборудования;

5) материалы расследования причин аварий и неполадок;

6) квалификация обслуживающего персонала;

7) результаты экспертной оценки надежности специалистами данной области производства.

В связи с этим структуру информации, необходимой для количественной оценки риска, можно отобразить следующим образом (рис. 7.6).

Рис. 7.6 Структура информации, необходимой для количественной оценки риска

Информация об объекте подразумевает получение количественных данных на основе сведений о процессах и технологии данного объекта, которые использовались на предыдущих этапах анализа. Так как сведения о квалификации персонала могут иметь только качественный характер, при численном анализе данные о вероятности нарушения персоналом правил безопасно­сти часто полагают свободными параметрами задачи. Варьируя величину этого параметра методом «дерева отказов», определяют степень его влияния на конечную величину риска. Отметим, что количественный анализ влияния человеческого фактора на надежность объекта является одним из самых сложных моментов оценки риска.

По рекомендациям THO (Offshore reliability data manual) при сильном стрессе человек с вероятностью 10^-5 совершает вообще необъяснимые ошибки, с 10^-4 — при выполнении простейших задач при минимальном стрессе, 10^-3 — при решении простых задач при недостатке времени (например, нажимает не на ту кнопку из-за неправильного прочтения дисплея), 10^-2 — оплошности при решении более сложных задач, требующих небольшой подготовки, 10^-1 — при решении сложных задач в условиях значительного стресса и недостатка времени. И, наконец, вероятность ошибки в условиях сильного стресса и недостатка времени при решении сложных незнакомых задач, требующих размышлений, лежит в интервале от 10^-1 до 1. Проще говоря, если оператор не готов заранее к сложной ситуации, он почти наверняка не найдет правильный выход. В самом общем виде можно применить правило Свайна—Гутмана, согласно которому правила безопасности нарушаются не реже чем в одном из 100 случаев.

Сведения об авариях нужны для выявления типов оборудования, отказы которого стали причинами аварий и несчастных случаев.

Выработка рекомендаций по снижению риска (если его величина оказывается чрезмерной) является одной из главных целей анализа риска. Как правило, эти рекомендации связаны с изменением или разработкой нормативов по безопасности производственной деятельности.

Лекция 10. Выброс опасных веществ

Цель: Дать понятия выброса опасных веществ

Учебные вопросы:

1. Характеристики опасных веществ, определяющие их поведение при выбросе. Диаграммы состояния веществ Категорирование жидкостей.

2. Поведение жидкостей при выбросе. Переход жидкостей различных категорий в паровуюфазу. Авария во Фликсборо.

Время 2 часа.

Литература: Защита окружающей среды в ЧС. /В.Ф. Мартынюк, Б.Е. Прусенко/

8.1- Характеристики опасных веществ, определяющие их поведение при выбросе. Диаграммы состояния веществ

При определении количественных показателей риска опасного производственного объекта необходимо прежде всего определить количество опасного вещества, способного «участвовать» в аварии и его характеристики. Начнем с количества опасного вещества. Оно, в первую очередь, зависит от фазового состояния вещества, которое в свою очередь определяется условиями хранения я и внешними условиями, а также свойствами вещества. Рассмотрим диаграмму состояния вещества на рис. 8.1.

Кривая фазового равновесия А—В показывает соотношение между давлением пара и температурой твердой фазы, кривая В-С соотношение между давлением пара и температурой жидкой фазы, точка С соответствует «критической температуре» Ткр. При температуре выше Ткр вещество не может находиться в жидкой фазе. Давление, которому соответствует точка С, является «критическим», т.е. при этом давлении еще сохраняется возможность сжижения газообразной фазы. Физические свойства жидкости и газообразной фазы в этой точке идентичны, т.е. плотность, удельная энтальпия, вязкость и другие свойства имеют одно и то же значение, а скрытая теплота парообразования (конденсации) равна нулю. Как видно из табл. 8.1, жидкость в точке кипения при атмосферном давлении занимает объем в 250—450 раз меньше, чем объем находящихся с ней в равновесии той же массы насыщенных паров. Этим объясняется стремление использовать в технологическом процессе вещества преимущественно в жидком виде.

8.2. Категорирование жидкостей

В зависимости от соотношения условий хранения, критической температуры, точки кипения и критического давления вещества можно разделить на четыре категории.

Первая категория — вещества, у которых критическая температура ниже температуры окружающей среды. Это «перманентные газы» или «криогенные» вещества. В жидком виде они могут находиться только при пониженной температуре. К ним относятся атмосферные газы и составляющий основу природного газа метан. Технология хранения и перемещения таких веществ в жидком виде основана на применении высококачественной изоляции.

Вторая категория — вещества, у которых критическая температура выше, а точка кипения ниже температуры окружающей

среды. Для сжижения этих веществ их достаточно только сжать Это сжиженные газы, к которым относятся сжиженный нефтяной газ (СНГ), пропан, бутан, аммиак и хлор. Обычно сжиженные газы хранятся при окружающей температуре под давлением хотя можно хранить их и в охлажденном состоянии.

Третья категория — вещества, у которых критическое давление выше атмосферного и температура кипения выше температуры окружающей среды. Эта категория включает в себя вещества, находящиеся при атмосферном давлении в жидком виде.

Четвертая категория — это жидкости третьей категории, которые в рабочих условиях ведут себя подобно сжиженным газам, если они содержатся при подводе тепла и под давлением при температурах выше их атмосферной точки кипения. Например, водяной пар в котлах или циклогексан при аварии во Фликсборо.

8.3. Поведение жидкостей при выбросе. Переход жидкостей различных категорий в паровуюфазу

Вытекающая криогенная жидкость (жидкость первой категории) будет находиться в равновесии со своими парами при атмосферном давлении. При подводе тепла возникает немедленное кипение жидкости с интенсивностью, пропорциональной скорости подвода тепла. При этом существуют два режима кипения — пузырьковый и пленочный (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Теплопередача кипящего разлития

При умеренном перепаде температур ДТ на границе между кипящей жидкостью и подложкой тепловой поток пропорционален при близительно кубу перепада температур. В определенной точке то соотношение нарушается, т.к. пузырьковое кипение переходит в пленочное, когда слой пара отделяет жидкость от подложил Минимум теплового потока достигается в точке Лейденфрос-_та Дальнейшее повышение разницы температур ДТ за точкой 1ейденфроста вызывает увеличение теплового потока, пропорциональное ДТ в степени 0,75. Это повышение значительно медленнее, чем при пузырьковом кипении. При охлаждении подложки теплоотвод уменьшается, однако после достижения точки Лей-денфроста _Он начинает резко возрастать. Реальную температуру основания определяют исходя из его теплопроводности или, если основание — жидкость, конвективной теплопроводности.

Рассмотрим разлитие жидкости второй категории, содержащейся в резервуаре под давлением. Когда в системе, содержащей жидкость, находящуюся в равновесии со своим паром, понижается давление, происходит «мгновенное» испарение части жидкости и устанавливается новое состояние равновесия с более низкой температурой кипения. Так, при разрушении резервуара с пропаном начальные и конечные условия могут выглядеть следующим образом.

Таблица 8.2 Начальные и конечные условия пропана при разрушении резервуара

	Начальные условия	Конечные условия
Температура, °С	26,9	-42,1
Давление, бар

Для оценки доли вещества Ψ «мгновенно» переходящего в пар, можно применить простое соотношение, учитывающее адиабатичность процесса:

где Нт _ удельная энтальпия жидкости при температуре окружающей среды Т;

Н_х — удельная энтальпия жидкости в точке кипения при атмосферном давлении;

L_x — удельная теплота парообразования при атмосферном давлении.

Для иллюстрации на рис. 8.3 представлены зависимости Ψ от температуры хранения. Поведение разлития жидкостей третьей категории после утечки зависит от рельефа местности и их летучести. В отличие от разлития криогенных жидкостей, при котором существует подвод тепла от окружающей среды, или сжиженных паров, когда помимо подвода тепла есть еще и мгновенное испарение, на испарение жидкостей третьей категории влияет только ветер. Связь между скоростью ветра и скоростью испарения показана на рис. 8.4.

Рис. 8.3. Зависимость Ч* от температуру_л, хранения

Рис. 8.4. Зависимость скорости испарения разлития от скорости ветра

Жидкости четвертой категории, которые при температуре выше их точки кипения при атмосферном давлении являются сжиженными парами, как и жидкости второй категории при разлитии мгновенно испаряются. Однако в случае жидкостей четвертой категории из-за потери тепла в окружающую, относительно холодную среду, отклонение от адиабатических условий будет приводить к конденсации выброшенного пара.

8.4. Авария во Фликсборо

Хрестоматийным примером чрезвычайной ситуации с участием жидкости четвертой категории является авария во Фликсборо (Великобритания).

Установка окисления циклогексана, находящегося в жидкой фазе при температуре 155 °С под давлением 0,9 МПа, входила в состав предприятия Nypro во Фликсборо. Процесс окисления рассчитан на перемещение в шести реакторах. Перемещение вещества из одного реактора в другой происходит под действием гравитационных сил. Из последнего реактора вещество перемещалось в горизонтально расположенный резервуар, имеющий та­кую же вместимость, как и каждый из реакторов. Вместимость каждого реактора составляет 20 т, общая вместимость установки — 140 т, во время аварии образовалось облако циклогексана массой 56 т.

Рис. 8.5. Схематическое изображение выброса во Фликсборо

В марте 1974 г. в реакторе № 5 была обнаружена трещина, и он был изъят и установлен на свободную площадку для ремонта.

При установке обходного трубопровода выяснилось, что он должен иметь изгиб, чтобы соответствовать разным уровням входного и выходного патрубков реакторов. Кроме того, из-за отсутствия трубы из нержавеющей стали с диаметром выходного патрубка 28 дюймов байпас был изготовлен из трубы диаметром 20 дюймов. В результате на концах патрубков появились два утолщенных сильфона, что при отсутствии соостности и обусловило разрушение трубопровода из-за возникновения вертикальных напряжений на сильфонах. Отметим, что стандарт требует исключения осевых нагрузок при наличии сильфонов.

1 июня 1974 г. в 15 ч 53 мин на предприятии началась утечка циклогексана. Его возгорание привело к сильному взрыву, в результате которого погибло 28 человек, 36 человек на предприятии и еще 53 человека вне его получили ранения. Большинство зданий, располагавшихся на территории предприятия, серьезно пострадали, причем те из них, в которых размещалась операторная комната и основные служебные помещения, были полностью разрушены. Серьезно пострадало оборудование предприятия, 1821 здание, 167 магазинов и учреждений были повреждены. За взрывом последовал сильный пожар, вызвавший серьезные разрушения.

Лекция 11. Количество опасного вещества, способного участвовать в аварии. Взрывы в помещениях

Цель: Дать определение опасного вещества, способного участвовать в аварии.

Учебные вопросы:

1. Оценка количества вещества, участвующего в аварии и способного участвовать во взрыве. Взрыв топливовоздушной смеси в помещении.

2. Оценка количества пыли, способной участвовать во взрыве в помещении.

Время 2 часа.

Литература: Защита окружающей среды в ЧС. /В.Ф. Мартынюк, Б.Е. Прусенко/

9.1. Оценка количества вещества, участвующего в аварии и способного участвовать во взрыве

Определив, в каком состоянии находится вещество, можно моделировать первую из рассматриваемых нами стадий аварийного процесса — выброс или истечение.

В общем виде рассмотрим систему, состоящую из резервуара (Р), соединенного с трубопроводом через задвижку (3) и насос (Н), рис. 9.1.

В соответствии с целью курса будем анализировать наиболее катастрофические варианты развития аварий, при которых участвует наибольшее количество опасных веществ и материалов.

Количество выброшенного в результате аварийного разрушения аппарата вещества определяется из следующих предпосылок:

а) все содержимое одного из аппаратов выбрасывается;

б) происходит одновременно утечка веществ из трубопроводов, питающих аппарат по прямому и обратному потоку в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов.

Расчетное время отключения трубопроводов определяется в каждом конкретном случае исходя из реальной обстановки и Должно быть минимальным с учетом паспортных данных на запорное устройство, характера технологического процесса и вида расчетной аварии. Расчетное время отключения трубопроводов следует принять равным:

— времени срабатывания системы автоматики отключения трубопроводов согласно паспортным данным установки, если вероятность отказа системы автоматики не превышает 10^-6 в год или обеспечено резервирование ее элементов;

— 120 с, если вероятность отказа систем автоматики превышает 10^-6 в год и не обеспечено резервирование ее элементов;

— 300 с при ручном отключении.

где V_a — объем газа, вышедшего из аппарата, м³; V_T — объем газа, вышедшего из трубопроводов, м³. При этом

где Р, — давление в аппарате, кПа; V— объем аппарата, м³;

Масса т, кг выброшенного газа, определяется по формуле:

¹ V_1T — объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м³;

V_2r — объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м³.

где q — расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом в зависимости от давления в трубопроводе,его диаметра, температуры газовой среды и т.д., м³/с. Т — время отключения, с;.

где Р₂ — максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа;

г — внутренний радиус трубопровода, м;

L — длина трубопровода от аварийного участка до задвижек, М-

Масса т, кг выброшенной жидкости, определяется аналогичным образом, с учетом того, что плотность жидкости не зависит от давления.

Особенности прогнозирования масштабов аварийных выбросов при разрушении магистральных трубопроводов рассмотрены _в следующем разделе.

Следующая стадия аварийного процесса — образование парогазового облака. При этом, если выброс происходит в закрытом пространстве (помещении), то создается исключительно благоприятная ситуация для образования взрывоопасной смеси или достижения поражающих концентраций в случае токсичных веществ. Поэтому оценим максимальное количество паров опасного вещества в помещении при катастрофической аварии.

Прежде всего, для жидкостей второй и четвертой категорий часть жидкости при разгерметизации «мгновенно» перейдет в пар. Кроме того, в помещении добавятся пары от различных источников испарения (поверхность разлитой жидкости, поверхность со свеженанесенным составом, открытые емкости и т.п.)

где т_р — масса жидкости, испарившейся с поверхности разлива, кг;

и_емк — масса жидкости, испарившейся с поверхности открытой емкости;

w_св.окр_ — масса жидкости, испарившейся с поверхности, на которую нанесли применяемый состав.

где W — интенсивность испарения, кг с^-1 м^-2; Т — длительность испарения, с;

F_H — площадь испарения, м², определяемая в соответствии с массой жидкости, разлитой в помещении.

Площадь испарения при разливе на пол определяется (приотсутствии справочных данных) исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих 70 % и менее (по массе) растворителей, разливается на площади 0,5 м², а остальных жидкостей На 1 м² пола помещения.

Длительность испарения жидкости принимается равной времени ее полного испарения, но не более 3600 с.

При наличии в помещении аварийной вентиляции, если она обеспечена резервными вентиляторами, автоматическим пуском при превышении предельно допустимой взрывобезопасной концентрации и электроснабжением по первой категории надежности (согласно ПУЭ), при условии расположения устройств для удаления воздуха из помещения в непосредственной близости от места возможной аварии, массу газов и паров легковоспламеняющейся жидкости (ЛВЖ) и горючей жидкости (ГЖ), п ступивших в объем помещения, следует разделить на коэффициент К,

К= А Т+1

где А — кратность воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, с^-1

Т — продолжительность поступления паров, как определено выше.

Интенсивность испарения W определяется справочными и экспериментальными данными. При отсутствии данных для ЛВЖ, нагретых выше температуры окружающей среды, W допускается рассчитывать по формуле:

Рн _ давление насыщенного пара, кПа при расчетной температуре жидкости, определяемое по справочным данным;М— молярная масса, кг/кмоль;

η—коэффициент, зависящий от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения (табл. 9.1)

Значение коэффициента η в зависимости от скорости и температуры воздушного потока

Скорость воздушного потока в помещении, м/с	Значение коэффициента г\ при температуре / °С воздуха в помещении
0.1 0,2 0,5	3 4,6 6,6 10	2,6 3,8 5,7 8,7	2,4 3,5 5,4 7,7	1,8 2,4 3,6 5,6	1,6 2,3 3,2 4,6

9.2. Взрыв топливовоздушной смеси в помещении

Чтобы завершить с помещением, рассмотрим последствия воспламенения парогазовой смеси в замкнутом (относительно) объеме. В любом случае смесь, находящаяся внутри концентрационных пределов воспламенения, реагирует так быстро, что процесс следует рассматривать как взрывной. В зависимости от условий и состава смеси горение может развиваться до высоких скоростей, вплоть до детонационных. При этом могут образовываться волны сжатия и ударные волны, возникать сложная картина обращения и взаимодействия волн.

Однако и в отсутствие высоких скоростей горения и волн сжатия ситуация может стать опасной. Рассмотрим, какое избыточное давление (АР) образуется в помещении при сгорании парогазовой смеси. Для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов С, Н, О, N, Cl, Br, I, F АР определяется по формуле:

где P_max — максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, определенное экспериментально или по справочным данным, кПа. При отсутствии данных допускается принимать P_max — 900 кПа;

P_q — начальное давление (обычно 101 кПа);

m — масса паров, вышедших в помещение, кг;

Z — коэффициент участия горения во взрыве. Допускается принимать в соответствии с табл. 9.2.

V_CB — свободный объем помещения, м³. Это разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием (допускается принимать 80 %);-

Таблица 9.2 Значение коэффициента участия горючего во взрыве

Вид горючего	Значение Z
Водород
ГГ (кроме Н2)	0,5
ЛВЖ и ГЖ, нагретые до температуры вспышки и выше	0,3
ЛВЖ и ГЖ, нагретые ниже температуры вспышки, при наличии возможности образования аэрозоля	0,3
ЛВЖ и ГЖ, нагретые ниже температуры вспышки, при отсутствии возможности образования аэрозоля

р_гп — плотность газа или пара при расчетной температуре г, кг/м³, вычисляется по формуле:

р=М/К₀(1 + 0,003677 t_p),

где М — молярная масса, кг/кмоль;

V_o — мольный объем, 22,4 м³/кмоль;

t_р — расчетная температура, "С. В качестве / принимается максимально возможная температура воздуха в данном помеще­нии °С с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации. Если t определить не удается, допускается принимать ее равной 61 °С;

С_СТ — стехиометрическая концентрация газа или паров, % об., вычисляется по формуле:

С_СТ=100/1+4,84β

где β= п_с+(п_н-п_х)/4-п₀/2 — стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания;

п_с, п_н, п_х и п₀ — число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего;

К_н —коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения (допускается принимать К_н равным 3).

Для других индивидуальных веществ, а также для смесей расчет ΔР может быть выполнен по формуле:

где Н_т — теплота сгорания, Дж/кг;

р_в — плотность воздуха до взрыва при начальной темпера­туре, Т_о, кг/м³;

Р_о — начальное давление;

С_р — теплоемкость воздуха, Дж/кг-К (допускается принимать 1,01- Ю³ Дж/кг К);

Т_о — начальная температура воздуха, К. Эта же формула применима для случаев взрыва пылевоздушной смеси в помещении. При этом количество пыли, которое может образовать взрывоопасную смесь, определяется из следующих условий:

—аварии предшествовало накопление пыли в производственном помещении, происходящее в условиях нормальной работы;

—в момент аварии произошла разгерметизация одного из технологических аппаратов, и последовал аварийный выброс всей находящейся в аппарате пыли.

При расчете избыточного давления взрыва для пыли коэффициент участия взвешенной пыли во взрыве рассчитывается по формуле:

Z= 0,5 F,

где F — массовая доля частиц пыли размером менее критическо­го, с превышением которого смесь становится взрывобезопасной. Допускается принимать Z= 0,5.

Полученное таким образом давление взрыва в помещении может служить основой для категорирования помещения по взрывоопасное™ и оценки (с учетом критериев поражения) вероятности разрушения здания, что является тяжелой аварией и, как правило, сопровождается несчастными случаями среди персонала.

Однако взрыв в помещении представляет угрозу не только возможностью разрушения, но и почти всегда сопровождается Разрушением остекления. В первом приближении можно считать, что скорость осколков стекла при типичных взрывах газа или пыли в помещении составляет 20±7 м/с. При этом даль­ность полета осколков составляет 20÷30 м при начальной скоро­сти полета 20 м/с. Можно считать, что масса осколков стекла после взрыва не превышает 100 г.

9.3. Оценка количества пыли, способной участвовать во взрыве в помещении

Расчетная масса взвешенной в помещении пыли т, кг, обра­зовавшейся в результате аварийной ситуации рассчитывается по формуле:

где т_вз — расчетная масса взвихрившейся пыли,кг;

m_ав — расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, кг:

m_вз=К_взm_п

где К_ВЗ — доля отложившейся в помещении пыли, способной перейти во взвешенное состояние в результате аварийной ситуа­ции. При отсутствии экспериментальных данных допускается К_вз = 0,9;

т_п — масса отложившейся пыли к моменту аварии, кг, m_п=К_г/К_у(m₁+m₂)

где К_г — доля горючей пыли в общей массе отложившейся пыли;

m₁ — масса пыли, оседающей на труднодоступных для убор­ки поверхностях в помещении за период времени между гене­ральными уборками, кг;

т₂ — масса пыли, оседающей на доступных для уборки по­верхностях в помещении за период времени между текущими уборками (ежемесячно, еженедельно), кг;

К_у — коэффициент эффективности уборки. Принимается при ручной пылеуборке: сухой — 0,6; влажной — 0,7. При мехазированной вакуумной уборке: пол ровный — 0,9; пол с выбоинами (до 5 % площади) - 0,7.

Масса пыли т₁ и т₂ (т_i), оседающей на различных поверхностях[ в помещении за межуборочный период, определяется по формуле m_iM_i(1-α)β (i=1,2)

где М₁=∑_iM_1j масса пыли, выделяющейся в объем помещения за период времени между генеральными пылеуборками, кг;

M_1j — масса пыли, выделяемой единицей пылящего оборудования за указанный период, кг;

М = ∑_iM_2j - масса пыли, выделяющейся в объем помещения за период времени между текущими пылеуборками, кг;

M_2j — масса пыли, выделяемая единицей пылящего оборудования за указанный период, кг;

а — доля выделяющейся в объем помещения пыли, которая удаляется вытяжными вентиляционными системами. При отсутствии экспериментальных сведений полагают а = 0;

β₁ и β₂ — доли выделившейся в объем помещения пыли, оседающей соответственно на труднодоступных и доступных для уборки поверхностях помещения.(β₁ + β₂=1) При отсутствии сведений допускается полагать β₁= 1, β₂=0

Величина М₁ и М₂ может быть определена экспериментально (или по аналогии с действующими образцами производств) в период максимальной загрузки оборудования по формуле Mj = ∑_i(G_ijF_ij)τ_i, где G_1j- и G_2j- — интенсивность пылеотложений соответственно на труднодоступных F_1j (м²) и доступных F_2j (м²) площадях, кг/м² с; τ₁ и τ₂ — промежутки времени между

генеральными и текущими пылеуборками. Расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результа­те аварийной ситуации, определяется по формуле:

где m_ап — масса горючей

пыли, выбрасываемой в помещение из аппарата, кг;

q — производительность, с которой продолжается поступление пылевидных веществ в аварийный аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг/с; Т — время отключения;

К — коэффициент пыления — отношение массы взвешен­ной в воздухе пыли ко всей массе пыли, поступившей из аппа­рата в помещение.

В отсутствие экспериментальных сведений допускается пола­гать:

—для пылей с дисперсностью не менее 350 мкм — К_п = 0,5;

—для пылей с дисперсностью менее 350 мкм — К_п = 1.Алгоритм учета взвешенной в помещении горючей пыли в I случае аварии показан на рис. 9.2.

Представленные в данной главе примеры дают возможность оценить количество фактического вещества, способного участвовать в аварии.

Лекция 12. Пожаровзрывоопасные свойства веществ и материалов

Цель: Дать определение пожаровзрывоопасные свойства веществ и материалов.

Учебные вопросы:

1. Поведение веществ при наличии источников зажигания. Классификация жидкостей по В. Маршаллу.
2. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов.

Время 2 часа.

Литература: Защита окружающей среды в ЧС. /В.Ф. Мартынюк, Б.Е. Прусенко/

10.1. Поведение веществ при наличии источников зажигания. Классификация жидкостей по В. Маршаллу

Анализируя практически важные случаи горения и взрыва при авариях, связанных с выбросом углеводородов, необходимо учитывать их поведение при наличии источников зажигания. Важно понимать, что экзотермические реакции, определяющие тепловыделение при горении и взрыве, происходят в газовой фазе. При этом горение возможно лишь в случае, если концентрация паров горючего в смеси выше некоторого предела, называемого нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ), и ниже верхнего концентрационного предела воспламенения (ВКПВ). На рисунке 10.1 показана связь между температурами вспышки, концентрационными пределами воспламенения и температурой самовоспламенения типичной топливовоздушной смеси. НКПВ слабо зависит от начальной температуры меси, в то время как ВКПВ значительно растет с повышением температуры. Пересечение кривой упругости пара с линиями НК.ПВ и ВКПВ определяет температуры вспышки на нижнем и верхнем концентрационных пределах воспламенения. При более низких температурах возможно образование капельно-воздушной взвеси, которая может воспламениться. В области высоких температур возможно самовоспламенение. Температура самовоспламенения не имеет однозначной связи с концентрационными пределами воспламенения и температурами вспышки и достигает минимального значения при стехиометрическом соотношении компонентов.

Рис. 10.1. Зависимость концентрационных пределов воспламенения и самовоспламенения тепловоздушной смеси от температуры

В Главе 8 жидкости по характеру их поведения при разгерметизации оборудования были разделены на четыре категории.

Следующий вопрос — как будут вести себя жидкости при наличии источника зажигания? Явления, сопровождающие зажига­ние разлития, зависят от количества пара над разлитием и от состояния смешения испарившихся паров с воздухом, а не от полного количества разлитой жидкости.

По этому параметру удобно разделить жидкости, способные вызывать пожары, на 6 классов.

Класс 1 — жидкости, имеющие при окружающей температуре незначительное давление паров. Чтобы такая жидкость загоре­лась, ее необходимо нагреть на несколько сотен "С. Хотя такие жидкости не способны самостоятельно поддерживать горение, они могут принять участие в крупном пожаре. Их можно на­звать «трудногорящими». Пример — жидкие масла.

Класс 2 — жидкости с высокой температурой вспышки. Для того, чтобы получить давление паров, соответствующее НКПВ, к ним надо подвести определенное количество тепла. Это «воспламеняющиеся» жидкости, не представляющие собой большой опасности. Пример — п -ксилол (температура вспышки 39 °С). Такие жидкости зажигаются от удара пламени и горят в самоподдерживающемся пожаре разлития.

Далее переходим к жидкостям, называемым обычно ЛВЖ. Это жидкости, у которых температура вспышки ниже или равна температуре окружающей среды. Над такими жидкостями, хотя бы вблизи их поверхности, находится смесь пара и воздуха с концентрацией выше НКПВ. Из ЛВЖ разумно выделить жидкости 3 класса, у которых при температуре окружающей среды концентрация пара между НКПВ и ВКПВ. При этом у жидкостей класса 4 концентрация паров при температуре окружающей среды лежит в интервале между ВКПВ и атмосферным давлением. Таким образом, при 20 °С октан с объемной концентрацией пара 1,3 % (НКПВ = 1 %) будет жидкостью класса 3, а диэтиловый эфир с концентрацией пара 60 % (ВКПВ — 28 %) — жидкостью класса 4.

Жидкости класса 3 и 4 при зажигании от находящегося рядом источника образуют самоподдерживающийся пожар разлития. Ясно, что расстояние до источника, способного поджечь облако, зависит также от скорости и направления ветра. При зажигании жидкости класса 3 образуется пламя, которое быстро распространяется по всему объему смеси с концентрацией выше НКПВ. В результате такой вспышки облако способно сгореть целиком. При зажигании облака жидкости класса 4 часть обла­ка, содержащая переобогащенную смесь, будет гореть в диффузном режиме.

Жидкости класса 5 — воспламеняющиеся жидкости, у которых при хранении давление паров близко к атмосферному. Это криогенные воспламеняющиеся газы, такие как СПГ. При разлитии примыкающий слой переобогащен горючим и гореть не может, однако при рассеянии заметная доля разлития превратится в горючую смесь. В результате кипения при разлитии объем облака может оказаться значительным, и зажигание может произойти от удаленного источника, что приведет к вспышке перемешанной части облака и поджиганию оболочки парового облака. При очень больших разлитиях возможно образование огненного шара.

Жидкости класса 5 способны к пожару разлития.

Класс 6 — это сжиженные воспламеняющиеся газы, значительная часть которых при разгерметизации оборудования выбрасывается в виде пара. Кроме того, в пар увлекаются капли жидкости. Примером жидкости класса 6 может служить сжиженный пропан. Такие жидкости способны зажигаться от удаленного источника с образованием вспышки, а также пожара разлития, если мгновенно испарившаяся часть мала (как, например, 0,1 для бутана). Часть переобогащенного облака будет гореть в диффузном режиме на границе своей оболочки. Если масса разлития достигает тонны, вспышка может принять характер огненнoro шара, а в неблагоприятных случаях может произойти взрыв парового облака.

В табл. 10.1 характеризуются опасности многотонных разлиии горючих жидкостей различных классов по В. Маршаллу. В таблицу включены также сжатые газы. При этом воспламеняющиеся газы и пары, когда они тяжелее воздуха, при выбросах ведут себя подобно жидкостям класса 5, но без образования пожара разлития.

В таблице 10.1 приведены ориентировочные части вещества, находящегося в газовой фазе (в предположении, что выше уровня жидкости класса 1—5 существует двухметровый слой пара, а толщина слоя жидкости составляет 0,2 м). Приблизительно можно сказать, что части жидкости различных классов отличаются на порядок.

На рис. 10.2 схематически показаны характеристики пожара для жидкостей с различной температурой кипения. С ростом класса жидкости уменьшается эффективность действия противопожарных средств. Если пожары жидкостей 1—3 класса могут сдерживаться при помощи пены, то эффективность сдерживания горения Жидкостей классов Рис. 10.2. Зависимость характеристик пожара 4-5 минимальна.

Рис. 10.2 Зависимость

характеристик пожара от

температуры кипения

Класс по В. Мар­шаллу

Пример

Темпе­ратура вспыш­ки, °С

Давление паров при 20 °С, МПа

Часть разде­ления

Вероятность зажигания на расстоянии х, м

Вероятность появления

Вспышеч-ного пожара

Пожара разлития

Огнен­ного шара

1. Горючая жидкость

Смазоч­ное масло

-

0,0001

Незначи­тельная

Нулевая

Нулевая

Нулевая

Нулевая

Нулевая

Только при возгорании

Нулевая

2. Воспламе­няющаяся жидкость

я-ксилол

0,008

0,0005

Умерен­ная

Нулевая

Нулевая

Нулевая

Нулевая

Высокая

Нулевая

З.ЛВЖ

Октан

0,013

0,0015

Высокая

Высокая

Низкая

Низкая

Умерен­ная

Высокая

Нулевая

4.ЛВЖ

Диэтило-вый эфир

-45

0,58

0,024

Высокая

Высокая

Высокая

Умерен­ная

Высокая

Высокая

Низкая

5. Криоген­ная жидкость

спг

ниже -160

0,1 (-160)

0,04

Высокая

Высокая

Высокая

Высокая

Высокая

Высокая

Низкая

6. Сжижен­ный воспла­меняю­щийся газ

Пропи­лен

-107

0,4

Высокая

Высокая

Высокая

Высокая

Высокая

Когда нет жидкой фазы

Высокая

7. Сжатый воспламе­няющийся газ

Этилен

Высокая

Высокая

Высокая

Высокая

Высокая

Нулевая

Высокая /

.Таблица 10.1 Классификация жидкостей по В. Маршаллу

10.2 Пожаровзрывоопасность веществ и материалов

В российских нормативных документах показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов используются как исходные данные для разработки систем обеспечения пожарной безопасности и взрывобезопасности.

При этом вещества и материалы разделяются на газы, давление паров которых при 25 ⁰С превышает 101,3 КПа; жидкости давления насыщения паров которых при температуре 25 ⁰С и давлении 101.3 КПа меньше 101.3 КПа, твердые вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм. ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов» даны способы определения показателей взрывоопасности веществ и материалов, перечень которых для газов (Г), жидкостей (Ж), твердых веществ и материалов (Т), пылей (П), представлены в табл. 10.2

Таблица 10.2 Характеристика пожаровзрывоопасных веществ и материалов

Показатель	г	ж	т	п
1. Группа горючести	+	+	+	+
2. Температура вспышки	-	+	-	-
3. Температура воспламенения	-	+	+	+
4. Температура самовоспламенения	+	+	+	+
5. Концентрация — пределы воспламенения	+	+	-	+
6. Температурные пределы воспламенения	-	+	-	-
7. Температура тления	-	-	+	+
8. Условия теплового самовозгорания	—	-	+	+
9. Минимальная энергия зажигания	+	+	-	+
10. Кислородный индекс	-	-	+	-
11. Способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами	+	+	+	+
12. Нормальная скорость распространения пламени	+	+	—	—
13. Скорость возгорания	-	+	-	-
14. Коэффициент дымообразования	-	-	+	-
15. Индекс распространения пламени	-	-	+	-
16. Показатель токсичности продуктов горения полимерных материалов	—	_	+	-
17. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода	+	+	—	+
18. Минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора	+	+	—	+
19. Максимальное давление взрыва	+	+	-	+
20. Скорость нарастания давления взрыва	+	+	-	+
Газы относятся к горючим при наличии концентрационных пределов воспламенения. При отсутствии концентрационных

1. Группа горючести.

По горючести вещества и материалы делятся на:

- негорючие – вещества не способные к горению;

- трудногорючие- способные гореть в воздухе при воздействии источника зажигания, но не способные гореть после его удаления;

- горючие-вещества, способные самовозгораться, а также возгораться при воздействии источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления. Горючие жидкости с температурой вспышки инее более 61⁰С в закрытом тигле или 66⁰С в открытом тигле относятся к легковоспламеняющимся. Особо опасными называются ЛВЖ с температурой вспышки не более 28⁰С.

При проведении испытаний для определения показателя горючести твердый образец помещают в печь, нагретую до температуры 750⁰С, и следят за его поведением, регистрируя температуру в печи, на поверхности и внутри образца. Материал считается негорючим, если:

- изменения температуры в печи, на поверхности и внутри образца не превышает 50⁰С;

- среднее арифметическое значение потери массы для 5 образцов не превышает 50% от среднего значения первоначальной массы;

- среднее арифметическое значение продолжительности устойчивого горения 5 образцов не превышает 10 с.

Газы относятся при наличии концентрационных пределов воспламенения. При отсутствии концентрационных пределов распространения пламени и наличии температуры самовоспламенения газ относят к трудногорючим, а при отсутствии НКВП и ВКПВ и температуры самовоспламенения газ относят к негорючим.

Жидкости относятся к горючим при наличии температуры воспламенения; при отсутствии температуры воспламенения и наличии температуры самовоспламенения жидкость относят к трудногорючим. При отсутствии температур вспышки, воспламенения, самовоспламенения, температурных и концентрационных пределов распространения пламени жидкость относится к группе негорючих.

Показатель горючести используется для классификации веществ и материалов.

2. Температура вспышки — наименьшая температура конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания, но устойчивое горение при этом не возникает.

Вспышка—быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковре­менным видимым свечением.

При экспериментальном методе установления температуры вспышки определенная масса жидкости нагревается с заданной скоростью, при этом выделяющиеся пары периодически зажигаются, и устанавливается факт отсутствия или наличия вспышки при фиксированной температуре.

Показатель используется для определения возможности зажигания жидкости в случае разлива и определения таким образом вида аварийного процесса.

3. Температура воспламенения — наименьшая температура вещества, при которой горючие пары и газы выделяются с такой скоростью, что при воздействии на них источника зажигания начинается воспламенение.

Воспламенение—пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления.

Показатель используется для определения группы горючести материалов.

7. Температура самовоспламенения — наименьшая температура окружающей среды, при которой наблюдается самовоспламенение вещества.

8. Самовоспламенение — резкое увеличение скорости экзотермических объемных реакций, сопровождающееся пламенным горением или взрывом.

При определении температуры самовоспламенения некоторую массу вещества вводят в нагретый объем и оценивают результаты испытаний.

Показатель используется при определении группы взрывоопасности смеси для выбора типа взрывозащищенного оборудования.

5. Концентрационные пределы распространения пламени {нижний и верхний) — минимальное и максимальное содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любом расстоянии от источника зажигания.

Параметры используются при расчете взрывоопасных концентраций смесей.

6. Температурные пределы распространения пламени — температура вещества, при которой его насыщенный пар образует в окислительной среде концентрации, равные нижнему и верхнему пределам распространения пламени.

Метод определения заключается в испытании на зажигание паровоздушной смеси при термостатировании жидкости в закрытом реакционном сосуде и установлении факта наличия или отсутствия пламени.

Параметр используется при оценке аварийных ситуаций в случае разлива горючих жидкостей.

7. Температура тления — температура, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления.

Тление—беспламенное горение твердого вещества при сравнительно низких температурах (400—600 °С), часто сопровождающееся выделением дыма.

Параметр используется при экспертизе пожаров.

8. Условия теплового самовозгорания — экспериментально выявленная зависимость между температурой окружающей среды, количеством вещества и временем до момента самовоспламенения.

Параметр используется при выборе безопасных условий хранения и переработки самовозгорающихся веществ

9. Минимальная энергия зажигания — наименьшая энергия электрического разряда, способная воспламенять наиболее легко воспламеняющуюся смесь горючего вещества с воздухом.

Параметр используется при обеспечении электростатической искробезопасности технологических процессов.

10. Кислородный индекс — минимальное содержание кислорода в кислородно-азотной смеси, при котором возможно свечеобразное горение материала в условиях специальных испытаний.

11. Способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами — определяется при механическом смешивании исследуемых веществ в заданной пропорции.

Параметр используется для выбора безопасных условий проведения технологических процессов и условий совместного хранения и транспортирования веществ и материалов.

12. Нормальная скорость распространения пламени — скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа в направлении, перпендикулярном его поверхности.

Параметр используется для расчета скорости нарастания давления в закрытом, негерметичном оборудовании и помещениях, критического (гасящего) диаметра при разработке и создании огнепреградителей, площади легкосбрасываемых конструкций (ЛСК), предохранительных мембран, других разгерметизирующих устройств.

13. Скорость выгорания — количество жидкости, сгорающее в единицу времени с единицы поверхности.

Параметр определяет продолжительность горения жидкости в резервуарах, интенсивность тепловыделения при пожарах.

14. Коэффициент дымообразования — показатель, характеризующий оптическую плотность дыма, образующегося при пламенном горении или термоокислительной деструкции (тлении) определенного количества материала в условиях специальных испытаний.

где V— вместимость камеры измерений 3-10"³ м³;

L — длина пути луча света в задымленной среде, м;

m — масса образца, кг;

Т₀ и Т_min- значения начального и конечного светопропускания % (Т₀=100%) Проводят испытания при горении и тле­нии и принимают наибольший результат в качестве показателя. Различают составы:

— с малой дымообразующей способностью, D_m < 50 м²/кг;

— с умеренной дымообразующей способностью 50 < D_m << 500 м²/кг;

— с высокой дымообразующей способностью D_m > 500 м²/кг.

15. Индекс распространения пламени — условный безразмерный показатель, характеризующий способность веществ воспламеняться, распространять пламя по поверхности и выделять тепло. По этому показателю вещества классифицируются следующим образом:

— не распространяющие пламя по поверхности — индекс распространения пламени равен 0;

— медленно распространяющие пламя по поверхности — индекс от 0 до 20 включительно;

— быстро распространяющие пламя по поверхности — индекссвыше 20.

16. Показатель токсичности продуктов горения полимерных материалов — отношение количества материала к единице объема замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50 % подопытных животных.

Классификация материалов по значению показателя токсичности продуктов горения приведена в табл. 10.3.

Таблица 10.3 Классификация материалов по значению показателя токсичности

Класс опасности	^HCL50 ^ГА	I^3 при времени экспозиции, мин
Чрезвычайно опасные	До 25	До 17	До 13	До 10
Высокоопасные	25-70	17-50	13-40	10-30
Умеренно опасные	70-210	50-150	40-120	30-90
Малоопасные	Св. 210	Св. 150	Св. 120	Св.90

Показатель используется для оценки токсических последствий пожаров.

17. Минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора ф_в — наименьшая концентрация флегматизатора в смесис горючим и окислителем, при которой смесь становится неспособной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислителя.

18. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода — такая концентрация кислорода в горючей смеси, состоящей из горючего вещества, воздуха и флегматизатора, меньше которой распространение пламени в смеси становится невозможным при любойконцентрации горючей смеси, разбавленной данным флегматизатором.

Показатель используется для определения взрывобезопасносных условий проведения технологических процессов.

19. Максимальное давление взрыва — наибольшее избыточное давление, возникающее при дефлаграционном сгорании газопаро- или пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101,3 кПа.

Показатель используется для определения давления взрыва в помещении, обеспечения взрывобезопасности технологических процессов.

20. Скорость нарастания давления взрыва — производная давления взрыва по времени на восходящем участке зависимости давления взрыва горючей смеси в замкнутом сосуде от времени.

Показатель используется для определения давления взрыва в помещении, обеспечения взрывобезопасности технологических процессов.

Таким образом, представленные алгоритмы позволяют использовать пожаровзрывоопасные свойства веществ и материалов для определения возможного вида аварийного процесса, который может сопровождать выброс данного вещества.

Лекция 13. Аварии с выбросом; токсических веществ

Цель: Дать основные понятия авария с выбросом токсических веществ.

Учебные вопросы:

1. Образование парогазовых облаков. Устойчивость атмосферы

2. Рассеяние легких газов или облаков с нейтральной плавучестью. Рассеяние тяжелых газов

. 3. Оценка размеров опасных зон. Взрывные характеристики аммиачновоздушных смесей

Время 2 часа.

Литература: Защита окружающей среды в ЧС. /В.Ф. Мартынюк, Б.Е. Прусенко/

11.1 Образование парогазовых облаков

Образующееся во время аварии облако может быть сформировано двумя путями: либо при кратковременном выбросе, либо в результате достаточно длительного истечения вещества в течение определенного периода (часа и более). Условно в первом случае выброс считается «мгновенным», во втором случае облако можно назвать струей.

Поведение вещества при мгновенном выбросе рассматривалось ранее. Были даны методы оценки количества вещества, переходящего в газовую фазу. При этом следует заметить, что, например, для аммиака, в зависимости от конкретных условий, разброс оцениваемых различными моделями скоростей испаре­ния может достигать 10 раз.

Принципиальным является вопрос о поведении облака в атмосфере. Характерным примером является аммиак, для которого однозначно не решено, ведет ли себя облако аммиачновоздушной смеси как облако легкого газа или как облако тяжелого газа. Несмотря на то, что молекулярный вес аммиака почти в 1,7 раза меньше, чем у воздуха, облако аммиака после его внезапного выброса в воздух зачастую не склонно к всплыванию. Охлаждение воздуха за счет теплообмена при его смешении с аммиаком и конденсация воды в облаке ведут к локальному образованию «тяжелого», т.е. не всплывающего в атмосфере парогазового формирования. Такая неопределенность существенно влияет на точность применения различных моделей, описывающих дисперсию облаков. В связи с этим в дальнейшем рассмотрены только подходы к описанию рассеяния облаков без конкретного изучения существующих моделей и даны лишь самые приблизительные методы оценки размеров зон поражения при выбросах.

Изучение рассеяния облака представляет интерес с точки зрения определения времени и расстояний, на которых в облаке будут сохраняться взрывоопасные или токсическиопасные концентрации. При этом на процесс рассеяния решающим образом влияет состояние атмосферы. Если при ветре рассеяние будет происходить очень быстро, то в условиях инверсии дисперсия происходит крайне медленно. Поэтому далее рассмотрим характеристики атмосферы, влияющие на процесс рассеяния паровых облаков.

11.2. Устойчивость атмосферы

Давление в атмосфере падает с увеличением расстояния от поверхности земли. Обычно с высотой падает и температура. Вертикальный градиент температуры Г на низких высотах обыч­но имеет значение: Г = — 1 °С на 100 м. Однако в реальности различия в градиенте температуры у поверхности весьма значительны. Вертикальный градиент, меньший или равный —1, классифицируется как неустойчивый, от —1 до 0 — как нейтральный, а больше 0 — как устойчивый. Неустойчивое состояние характерно для ясного дня, инверсия — для ясной ночи. Обычно устойчивость классифицируют в соответствии с предложенными Паскуиллом классами (табл. 11.1).

Существуют внешние признаки, по которым можно оценить класс устойчивости атмосферы (табл. 11.2).

Можно использовать и другие способы определения класса устойчивости атмосферы.

Таблица 11.1

Классы устойчивости по Паскуиллу

Класс по Паскуиллу	Устойчивость	Состояние погоды	Типичная скорость ветра, м/с	Вертикальный градиент температур
А	Сильно неустойчива	Безоблачно
В	Неустойчива	Солнечно и тепло		«-1
С	Слегка неустойчива	Переменная облачность в течение дня		<-1
D	Нейтральная	Облачный день или облачная ночь
Е	Устойчива	Переменная облачность в течение ночи		о-н
F	Инверсия	Ясная ночь		> 1
G	Сильная инверсия	Очень тихо при яс­ном небе зимой (ин­версия существует весь день)		»1

Таблица 11.2 Классы устойчивости по внешним признакам

Скорость ветра	День	Ночь
флюгера (10 м), м/с	Освещенность	Сплошная	< 3/8 облаков
Сильная	Умеренная	Слабая	облачность > 4/8 облаков
< 2	А	А-В	В
2-3	А-В	В	С	Е	F
3-5	В	В-С	с	D	Е
5-6	С	C-D	D	D	D
>6	С	D	D	D	D

11.3. Рассеяние легких газов или облаков с нейтральной плавучестью

Для облаков, плотность которых мало отличается от плотности воздуха, их плавучестью можно пренебречь. В этом случае для описания дисперсии облака обычно применяется гауссова модель рассеяния газообразных веществ, которая базируется на следующих предположениях:

1. Отсутствуют потери газа в облаке.

2. За счет атмосферной турбулентности газ распределен в соответствии с распределением Гаусса в горизонтальном и вертикальном направлениях. Параметры распределения меняются как функция расстояния.

3. Параметры распределения Гаусса определяются из экспериментов и зависят от погодных условий.

На рис. 11.1 показана динамика распределения Гаусса концентраций на различных расстояниях от точки выброса.

Примером методики оценки рассеяния облака с нейтральной плавучестью может служить методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД—86). Она позволяет рассчитать приземные концентрации примесей на различных расстояниях от источника непрерывного выброса на высоте Н.

Зависимость концентрации вредных веществ от расстояния от места выброса, рассчитанная по методике ОНД—86, показана на рис. 11.2.

11.4. Рассеяние тяжелых газов

Более важным является вопрос рассеяния облаков с отрицательной плавучестью, которые обычно образуются при мгновенном выбросе опасных веществ.

В рассеянии облака тяжелого газа можно выделить две стадии: на первой стадии облако опускается под действием силы тяжести. В этой фазе влияние погодных условий незначительно. Во второй фазе происходит рассеивание облака при сильном влиянии погодных условий.

При моделировании процессов рассеяния тяжелых газовобычно используется «ящичная» модель, когда облако представляется цилиндром, внутри которого концентрация опасного вещества постоянна, а на границе равна нулю. Через границы «ящика» происходит турбулентный обмен, в результате которого в «ящик» всасывается воздух, его объем растет, а концентрация опасного вещества падает. При этом «ящик» - цилиндр перемещается, под действием ветра дрейфует, чему препятствует его трение о подстилающую поверхность, зависящие от ее шероховатости.

Разработанные «ящичные» модели обычно решаются численными методами. Некоторые из них, например, для хлора и фосгена, реализованы в виде номограмм, с помощью которых можно оценить размеры зон поражения

Рис. 11.1. Динамика распределения Гаусса концентраций на различных расстояниях от точки выброса

Рис. 11.2. Вид зависимости концентраций (С) в атмосферном воздухе вредных веществ, со­держащихся в выбросах предприятий, от рас­стояния от места выброса (X), рассчитанный с использованием ОНД—86

.

При выбросе сжатого газа из сосуда высокого давления или трубопровода происходит резкое падение давления, сопровождающееся резким падением температуры (эффект Джоуля—Томсо-на). Если падение температуры значительно, может наблюдаться конденсация жидкости и ее выпадение из облака с образованием лужи на подстилающей поверхности. Однако для большинства приложений анализа риска образование лужи при конденсации жидкости из газа не представляет значительного интереса.

Если жидкость конденсируется при большой скорости выброса газа, что характерно для аварийных случаев, то это приводит к образованию тумана или маленьких капель. Они могут либо быстро испариться из-за теплоподвода при смешении с окружа­ющим воздухом, либо, с случае воспламенения, участвовать как горючее в горении факела.

Эффект Джоуля—Томсона может оказаться важным даже в тех случаях, когда жидкая фаза не образуется. Падение температуры газа может привести к значительному увеличению плотности газа, в результате чего облако легкого газа, такого как аммиак, может стать тяжелее воздуха. Это в свою очередь приво­дит к изменению механизма дисперсии: облако рассеивается по механизму дисперсии тяжелого газа, а не дисперсии легкого газа или газа с нейтральной плавучестью.

11.5. Оценка размеров опасных зон

Для расчета размеров зон (в м), в пределах которых газо- или паровоздушные смеси при аварийном поступлении горючих газов и паров летучих жидкостей в открытое пространство сохраняют опасные концентрации (НКПВ, LC, 1С), можно использовать следующие формулы: для газов

R_c=14,5632 (m_r/p_r- C)^0,333,

а для паров не нагретых летучих жидкостей

Где

здесь т_т — масса поступившего в открытое пространство газа, кг;

С— опасная концентрация, % об.;

р_{г п} — плотность газа или паров летучей жидкости при расчетной температуре и атмосферном давлении, кг/м³;

к — коэффициент, принимаемый для летучих жидкостей равным к = Г/3600;

Т — продолжительность поступления паров летучих жидкостей в окружающее пространство, с;

т_п — масса паров летучих жидкостей, поступивших в открытое пространство за время полного испарения, но не более 3600 с, кг;

р_н — давление насыщенных паров летучей жидкости при расчетной температуре, кПа;

М — молярная масса, кг/ кмоль;

V_Q — мольный объем, 22,413 м³/кмоль;

t — расчетная температура, °С.

За начало отсчета R_c (м) принимают внешние габариты аппаратов, установок и т.д. Во всех случаях значение R_c должно быть не менее 0,3 м.

В качестве другого примера приведены предложенные голандской фирмой «ТНО» упрощенные рекомендации для оценки зон смертельного и обратимого поражения с учетом количества аммиака, находящегося на промышленной площадке. Зависимости на рисунках показывают длины зон, попадание в которые означает летальный исход или крайне опасно для состояния здоровья биообъекта. Кроме того, приведена зависимость, связывающая предполагаемую ширину облака с длиной соответствующей опасной зоны. Оценка размеров по длине производится в направле­нии ветра с размещением источника выброса в центре основания облака, так, как показано символом (*) на рисунках 11.3—11.5.

Рис. 11.4. Зависимость длины зоны обратного поражения I₂ от массы выброшенного аммиака по рекомендациям фирмы «ТНО»

Рис 11.3. Зависимость длины зоны смертельного поражения Ly от массы выброшенного ам­миака по рекомендациям фир­мы «ТНО»

Рис. 11.5. Функциональная связь основных линейных размеров (дли­на — ширина) токсичного облака по рекомендациям фирмы «ТНО»

11.6. Аварии при использовании аммиака

Аммиак используется в холодильных установках в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, в производстве удобрений (сульфата и нитрата аммония, азотной кислоты, соды, синтетической мочевины), для приготовления водных растворов, используемых в химической и фармацевтической промышленности, а также в медицине. В Российской Федерации действуют 27 крупнотоннажных агрегатов по производству аммиака мощностью 400—450 тыс. т в год. Современные заводские, прирельсовые, припортовые склады, оборудованные изотермическими резервуарами большой емкости, содержат до 120 тыс. т аммиака. Аммиакопровод Тольятти—Одесса протя­женностью 2425 км, диаметром 355,7 мм эксплуатируется более 20 лет и имеет производительность до 2,5 млн т в год. Значительно возросли объемы железнодорожных, автомобильных, морских перевозок аммиака, причем для последних используются суда емкостью до 100 000 м³.

Перечисленные обстоятельства усилили опасность возможных крупных выбросов аммиака в атмосферу, что проявилось во многих странах в виде тяжелых аварий. Самые большие жертвы в результате аварий с аммиаком отмечены в г. Потчефструм (ЮАР) на заводе по производству удобрений 13 июля 1973 г. (выброс 38 т аммиака), когда в радиусе 50 м на месте погибли 2 человека и 5 умерли впоследствии. Из работавших в радиусе 50—100 м впоследствии умерли 5 человек. Из работавших на расстоянии 150—200 м впоследствии также умерли 5 человек, и, кроме того, отмечено 65 случаев несмертельных отравлений. При других авариях, когда выбрасывались сотни и тысячи тонн аммиака, число пораженных было значительно меньше. В 1977 г. в Колумбии (г. Картахена) после утечки аммиака погибли 30 человек и 20 получили тяжелое отравление. Самый масштабный выброс аммиака по-видимому имел место на ПО «Азот» 20 марта 1989 года в Литве (г. Йонава) после разрушения изотермической емкости с аммиаком. В результате аммиак разлился на площади 150x400 м. Все содержимое емкости, т.е. около 7700 т жидкого аммиака, попало в окружающую среду. Воспламенение и последующее горение смеси паров аммиака с природным газом (выброшенным из поврежденного трубопровода) привело к пожару на товарном складе, где хранилось 20 тыс. т нитрофоски. Пары аммиака и продукты пиролиза нитрофоски (окислы азота, аммиак и т.д.) рассеялись в атмосфере на расстояние до 30÷35 км, образовав зону «заражения» площадью до 400 км². На удалении 3 км от завода концентрация аммиака в атмосфере была 200 мг/м³, а на расстоянии 10÷15 км около 40÷20 мг/м³. Присутствие аммиака отмечено на удалении до 25 км. В аварии погибли 7 человек и 57 госпитализированы по признаку отравления. За период 01.1991—06.1994 гг. на различных объектах России отмечено 19 аварий с выбросом аммиака, в которых погибли 6 и пострадали 56 человек. Основные места аварий — компрессорные станции, цеха хладокомбинатов и предприятия бытовой химии. В 9 из 19 случаев аммиак выброшен в помещение, а в 2 отмечено нарушение механической прочности конструктивных элементов компрессоров с последующим выбросом аммиака.

Специально следует отметить случай 29 мая 1992 г., когда после закачки (с целью дезинфекции) жидкого аммиака в одном из зданий птицефабрики «Кочубеевская» Ставропольского края произошел взрыв смеси паров аммиака с воздухом с полным разрушением здания объемом 4000 м³. Стены этого здания были выполнены из силикатного кирпича, двухскатная крыша — из бетонных ребристых плит, покрытых толем. Аммиак (200— 250 кг) был залит в помещение из спецавтомашины за 5 минут. Взрыв произошел приблизительно через 30 мин после отъезда автомашины. Отмечен относительно медленный характер развития взрыва с выдавливанием стен здания наружу на расстояние до 5 м от фундамента с последующим обрушением части кровли. Вместе с тем некоторые кирпичи были отброшены на 15 м. Пожара после взрыва не было. Его термическое действие проявилось в оплавлении и спекании полиэтиленовой пленки, которая использовалась для герметизации вентиляционных коллекторов здания.

Несмотря на множество аварий и катастроф, связанных с аммиаком, пожаровзрывоопасные и токсичные свойства аммиака в отечественной литературе описаны недостаточно полно и комплексно. Этот факт отражает странную ситуацию, когда объем информации о свойствах опасного вещества совершенно не адек­ватен масштабам его применения в промышленности.

11.7. Взрывные характеристики аммиачновоздушных смесей

Из анализа сведений о взрывоопасности смесей «аммиак + воздух» видно, что разброс известных сведений по концентрационным пределам воспламенения по различным источникам не столь велик. С учетом расхождений методов определения и вероятностного характера воспламенения вблизи пределов величину нижнего концентрационного предела воспламенения (НКПВ) для практического использования можно принять (15,5±1)% NH₃, а величину верхнего концентрационного предела воспламенения (ВКПВ) — (26±1) % в воздухе при нормальных условиях.

Следует отметить невозможность движения пламени аммиака в воздухе вниз при любом составе смеси при ее начальной температуре ниже 55 ⁰С, а также полное подавление горения в смесях «аммиак + воздух», разбавленных водяным паром более чем на 10 % по объему.

Все углеводородные горючие газы (кроме метана) имеют НКПВ в пределах 1+3 % об., т.е. опасность воспламенения связана с концентрациями более 1,5+3,0-10⁴ промилей. С токсичными газами ситуация выглядит иначе, т.к. реально опасные концентрации по токсичности заметно ниже, чем на НКПВ, и, как правило, составляют величины менее 10² промилей. Таким образом, облака аммиака как токсичного газа чаще всего представляют опасность на значительно больших расстояниях от места выброса, чем облака аммиака как горючего вещества.

Кроме концентрационных пределов воспламенения другим важным параметром, характеризующим взрывоопасность газо-паровоздушной смеси, служит величина минимальной энергии источника зажигания (МЭЗ), необходимой для воспламенения смесей. Разброс значений МЭЗ для аммиачновоздушных смесей заключен в интервале 700±300 мДж. В интересных с практической точки зрения бедных смесях аммиака с воздухом (содержа­ние аммиака менее 16 % об.) требуется энергия искры свыше Ю Дж, что делает эти смеси малочувствительными. Для сравне­ния МЭЗ в пропановоздушной смеси при стехиометрическом составе почти в 10 раз ниже, что свидетельствует о низкой химической активности аммиачновоздушных смесей и их низкой склонности к самоускоряющемуся взрывному превращению посравнению с любыми углеводородами в воздухе (рис. 11.6).

Таким образом, НКПВ и МЭЗ для смесей «аммиак + воздух» намного превосходят аналогичные параметры смесей «углеводород + воздух». Существенное различие НКПВ затрудняет образование взрывоопасных смесей аммиака с воздухом при аналогичных с газообразными углеводородами обстоятельствах выброса в воздух. Дополнительно образованию взрывоопасной среды препятствует высокая плавучесть аммиака в воздухе, способствующая быстрому рассеиванию образований аммиака в атмосфере. Кроме того, скорость нарастания давления при сгорании аммиака в воздухе почти в 10 раз меньше, чем при сгорании типичных углеводородов в схожих условиях.

Детонационные характеристики смесей «аммиак + воздух» практически не изучены. В научно-технической литературе нет достоверных сведений об условиях и возможности возникновения детонации смесей аммиака с воздухом в открытом, полуоткрытом или загроможденном пространстве. Максимальное давление взрыва аммиачновоздушных смесей также значительно меньше, чем у пропановоздушных

смесей (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Зависимость расчет­ных (1, 2) и измеренных (3,4) значений и максимального давления взрыва для смесей «аммиак + воздух» (2,4), «пропан + воздух» (1,3) от состава смеси

Рис. 11.6. Зависимость мини­мальной энергии зажигания от состава смеси

Таблица 11.3

Дата добавления: 2014-01-06