Пределы распространения пламени в различных воздушных смесях по нормативным документам США

Горючее	Нижний	Верхний	Горючее	Нижний	Верхний
	конц.	конц.		конц.	конц.
	предел,	предел,		предел,	предел,
	% об.	% об.		% об.	% об.
Ацетон	2,6	13,0	Окись
Ацетилен	2,5		этилена	3,0
Аммиак			Гептан	1,3	6,7
Амилен	1,8	8,7	Гексан	1,4	7,4
Бензол	1,4	8,0	Водород	4,0
Н—Бутан	1,8	8,4	Метан	5,0
И—Бутан	1,8	8,4	Н-Пентан	1,8	7,8
Бутилен—1	2,0		Пропан	2,1	9,5
Бутилен—2	1,7	9,7	Пропилен	2,4	11,0
Сероуглерод	1,3		Стирол	1,1	6,1
Циклогексан	1,3	7,8	Толуол	1,3	7,9
Декан	0,8	5,4	Винилхлорид	4,0	22,0
Этан	3,0	12,4	2,2-Д и метил -
Этилен	2,7	2,1	пропан	1,3	7,5
Хлористый			2,3-Диметил-
этилен	6,2	15,9	пентан	1,1	6,8

Таким образом, анализ аварий, сопряженных с выбросом значительных количеств аммиака в открытое или полуоткрытое пространство, не дает сведений о типичных взрывных последствиях в форме фугасных, термических и осколочных эффектов. Низкий уровень скоростей горения аммиака в воздухе, сопровождаемый очень малой скоростью нарастания давления при горении, препятствует реализации высокоскоростных режимов взрывного превращения и обеспечивает, в худшем случае, плавное выгорание аммиака в полуоткрытом или открытом пространстве без подлежащих учету и экспертной оценке фугасных и терморадиационных эффектов. Высокий же НКПВ, узкие концентрационные пределы распространения пламени, высокая энергия зажигания приводят к тому, что само воспламенение аммиачновоздушных смесей в условиях аварийных выбросов сильно затруднено. Кроме того, наблюдения за поведением аммиака при выбросе в замкнутое помещение с работающей или отключенной вентиляцией позволяют сделать оптимистический вывод о том, что простыми техническими решениями по размещению оборудования и надлежащей ориентацией потоков воздуха вполне возможно предотвратить образование горючей смеси «аммиак + воздух» или, в крайнем случае, предотвратить распространение пламени. Указанный вывод справедлив исключительно для смесей «аммиак + воздух» вследствие высокого уровня НКПВ и затрудненности движения пламени вниз при начальной температуре ниже 50 °С. Для смесей «углеводород + воздух» отмеченные технические ре­шения проблематичны или невозможны.

При проливах аммиака в открытом пространстве угрозу взрыва не следует учитывать, на что имеются прямые указания, в том числе и в нормативных документах.

11.8. Токсичность выбросов аммиака в воздух_;

Аммиак обладает резким удушливым запахом и едким вкусом. Порог обонятельного ощущения составляет 0,50÷0,55 мг/м³. При концентрации 40÷80 мг/м³ аммиак вызывает раздражение глаз, верхних дыхательных путей вплоть до рефлекторной задержки дыхания и ощущения удушья, сопровождаемого головной болью и головокружением. Вдыхание аммиака при концентрации 3 мг/м³ в течение 8 ч ведет к замедлению пульса и нарушает обмен кислорода в организме. Непродолжительное вдыхание аммиака при концентрации 70-Н00 мг/м³ ведет к раздражению дыхательных путей, при 490 мг/м³ — к раздражению глаз, при 1200 мг/м³ — к кашлю и отеку легких. Вдыхание аммиака при концентрации =250 мг/м³ недопустимо свыше 1 ч. По некоторым данным, допускается или возможна работа в атмосфере с концентрацией аммиака 7-Н40 мг/м³. Ограничения на работу в загазованной атмосфере наступают при концентрации 140÷210 мг/м³, а при 350÷700 мг/м³ любая деятельность невозможна. Наконец, при вдыхании аммиака при 1500÷2700 мг/м³ в течение 0,5-Н ч возможен летальный исход. После пребывания в атмосфере с высокой концентрацией аммиака пострадавшие перевозбуждены, не могут стоять. Наблюдаются острые расстройства дыхания и кровообращения с возможным запаздывающим (на несколько часов или суток) летальным исходом. Несмотря на заметный разброс в критических уровнях концентраций аммиака в воздухе, установлена предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе рабочей зоны ПДК_р з = 20 мг/м³. Среднесуточная ПДК в воздухе населенных мест установлена на уровне = 0,2 мг/м-³.

По уровню ПД1С р₃ аммиак отнесен к 4 классу опасности — малоопасным веществам. Однако по коэффициенту возможности ингаляционного отравления (КВИО) аммиак должен быть отнесен ко 2 классу опасности — высокоопасным веществам. КВИО находят как отношение летальной (с вероятностью гибели 50 %) концентрации при экспозиции 120 мин (для белых мышей) — к максимальной ПДК. КВИО для аммиака = 170. Штаб гражданской обороны также относит аммиак к СДЯВ — сильнодействующим ядовитым веществам, которые при проливе или выбросе приводят к заражению воздуха с поражающими концентрациями. Смертельная для человека концентрация аммиака в воздухе с вероятностью гибели 50 % при вдыхании в течение 30 мин, по данным В. Маршалла, составляет LC₅₀ ~ 6150 мг/м³, а по другим данным LC₅₀ = 8290 промилей. Обращает на себя внимание огромный разброс предельных уровней опасных концентраций, приводимых в различных источниках. Выражено даже мнение о недопустимости подобного расхождения в системе исходных данных, которое проявляется в разбросе экспертных оценок до 100 раз. В любом случае, уровень смертельно опасной (по фактору токсичности) концентрации аммиака в воздухе LC₅₀ > 6 г/м³ существенно ниже (почти в 16 раз) взрывоопасного уровня концентрации с > 100 г/м³ вблизи НКПВ (в стехиометрической смеси массовая концентрация с~ 155 г/м³). Уровень предельно допустимых концентраций (ПДК = 20 мг/м³) пренебрежимо мал по сравнению со значениями взрывоопасных концентраций. Это означает, что размеры опасной зоны по токсичности при выбросе аммиака в воздух намного превосходят размеры зоны взрывоопасных концентраций. Точно так же время существования токсичной атмосферы будет Намного больше времени жизни взрывных смесей. В итоге площадь, покрытая токсичной атмосферой, после выброса аммиака полностью поглощает узкую полосу взрывоопасных смесей и намного превышает ее по масштабам. Это обстоятельство существенно отличает смеси аммиака с воздухом от смесей углеводородов с воздухом, для которых типично обратное соотношение. В результате можно заключить, что для смесей «углеводород + воздух» основные опасности связаны с взрывным превращением, т.е. существенны фугасный, термический и осколочный факторы поражения. Для системы «аммиак + воздух» основная опасность обусловлена возможностью токсического поражения, а фугасные и термические последствия при выбросе аммиака в открытое пространство в известных методиках вообще не рассматриваются.

11.9. Нормирование безопасности использования аммиака в промышленности

Представленный выше анализ позволяет подкрепить важный практический вывод М.В. Бесчастного, что «аммиак, в том числе жидкий, вряд ли следует относить к основным потенциальным взрывоопасным веществам наряду с углеводородами». Все известные случаи взрывов в присутствии аммиака происходили в закрытых аппаратах при высокой начальной температуре и давлении и не сопровождались значительными разрушениями, и именно на них необходимо обратить внимание, рассматривая вопросы взрывоопасности аммиака. Уже отмечено исключение аммиака из перечня взрывоопасных веществ в ряде нормативных зарубежных документов. Не рассматриваются взрывоопасные свойства аммиака и при его транспортировке. По ГОСТу «Грузы опасные» аммиак относится к опасным грузам класса 2 — газы сжатые, сжиженные и растворенные под давлением подкласса 2,4 — ядовитые газы (летальная доза 5000 см³/м³), способные образовывать горючие смеси с воздухом. Поэтому цистерны с жидким аммиаком находятся под надзором как сосуды с избыточным давлением более 0,7 МПа, для которых не предусматривается возможность химического взрыва.

В Правилах устройства электроустановок для категорирования смесей аммиака с воздухом используется сама возможность их горения. При таком подходе смесь аммиака с воздухом относят к категории II на основании величины безопасного экспериментального максимального зазора БЭМЗ ~ 0,9±1,0 мм. На основании этих сведений взрывоопасные зоны для воздушных смесей аммиака с большим запасом относят к классу В-16 для помещений, в которых взрывоопасные смеси при нормальной эксплуатации не образуются. В зонах В-16 в присутствии горючих газов с высоким НКПВ (≥ 15 %) и резким запахом допустимо невзрывозашищенное оборудование (кроме приводов аварийных вентиляторов и передвижных и переносных установок). В зарубежных публикациях приводится величина БЭМЗ = 3,18 мм, что относит аммиак в группу I веществ, менее взрывоопасных, чем метан, у которого БЭМЗ = 1 мм. Такое различие в данных, являющихся основой для категорирования воздушных смесей аммиака, еще раз указывает на необходимость инвентаризации и проверки взрывоопасных свойств смесей аммиака.

Здания и помещения также категорируются для нагрузок различного уровня от внутренних взрывов. Взрывоопасные блоки категорируются по уровню энерговыделения при возможных взрывах. При этом руководства не учитывают вид взрывного превращения, не принимают во внимание реакционную способ­ность энергоносителя, а опираются только на массу горючего и его удельную теплоту сгорания. Только из-за этого аммиак формально попадает под действие нормативных документов по категорированию. В результате формального применения требований машинно-аппаратные и конденсаторные отделения аммиачных холодильных установок без всяких иных оснований относят к категории «А» по взрывоопасности с требованием установки легкосбрасываемых конструкций. При этом Госгортехнадзор России, предоставляя право эксплуатации аммиачно-холодильного оборудования компрессорного цеха, выдает предприятию лицензию на право эксплуатации взрывопожароопасного оборудования. Не отрицая необходимости наличия ЛСК в помещениях с аммиаком, следует пересмотреть требования к площади вышибных пр

Лекция 14. Пожар разлития. Огненный шар

Цель: Дать основные понятия пожара разлития и огненного шара.

Учебные вопросы:

1. Авария в Кливленде. Пожар разлития

2. Тепловое излучение пламени. Огненный шар

3. Оценка поражающих факторов огненных шаров. Пожары в нефтяных резервуарах.

Время 2 часа.

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

12.1. Авария в Кливленде

20 октября 1944 г. на газовом заводе в Кливленде (штат Огайо, США) в 14 ч 40 мин произошла утечка сжиженного природного газа (СПГ). Предприятие являлось воплощением самой передовой технической мысли того времени. Резервуарный парк состоял из трех сферических резервуаров с максимальной загрузкой 2350 м³ (1050 т) СПГ, хранящегося при -156 °С, и одного цилиндрического — 4250 м³ (1900 т) СПГ. Сферические резервуары имели термоизоляцию из пробки, цилиндрический — из асбеста. Термоизоляция монтировалась на металлическом каркасе из мягкой стали. Расстояние между резервуаром и изоляционной оболочкой составляло примерно 1 м и было заполнено природным газом. Внутренняя оболочка резервуара была выполнена из низкоуглеродистой стали с 3,5 % содержанием никеля.

Цилиндрический резервуар был построен позже. Его форма была выбрана исходя из предположения, что такой резервуар выдерживает более высокие напряжения. При его вводе в эксплуатацию был подан СПГ, в результате в районе днища образовалась трещина, в связи с чем часть оболочки 0,4x0,65 м была вырезана и заменена.

Для предотвращения последствий от небольших утечек вокруг резервуаров было сооружено обвалование высотой 1 м на расстоянии 0,6 м от стенки, что не было одобрено фирмой-изготовителем, т.к. из-за ухудшения естественной циркуляции воздуха температура днища резервуара становилась ниже необходимой по условиям эксплуатации.

В момент аварии ощущалась вибрация почвы, которая привела к образованию трещины во внутреннем цилиндрическом резервуаре. После начала утечки внешняя оболочка сразу же стала хрупкой и быстро разрушилась. Первоначальная утечка составила около 1900 т. Потоки СПГ перемещались по поверхности, обволакивая здания и распространяясь на соседние улицы, где часть СПГ попала в колодцы сточной канализации. Над местом утечки обра­зовалось паровое облако, которое стало двигаться по ветру. Вскоре произошло воспламенение. В ряде ограниченных пространств (в кольцевых пространствах сферических резервуаров, в жилых домах и административных зданиях) произошли взрывы. В результате взрывов в системе сточной канализации на дорогах образовались крупные трещины. Взрыв в канализационном колодце на расстоянии 350 м от цилиндрического резервуара привел к образованию воронки глубиной 8 м, шириной 10 м и длиной 20 м, а также к усилению пожара. Через 20 мин после начала аварии произошло разрушение сферического резервуара с мгновенной утечкой 1000 т СПГ, который тут же воспламенился.

Пожар уничтожил не только газовый завод, но и 10 административных зданий и 80 частных домов, находившихся на расстоянии 400 м от места утечки. Погибло 128 человек, 200÷400 человек получили травмы.

Два других сферических резервуара выдержали пожар.

12.2. Пожар разлития

Пожар разлития — горящее устойчивом диффузионным пламенем разлитие воспламеняющейся жидкости

Пожары разлитии в обвалованиях по своей форме напоминают цилиндр или конус Характерная особенность — это «накрытие» или «растяжение» пламени с подветренной стороны, которое может составлять 25—50 % от диаметра обвалования (рис. 12.1).

Рис 12.1 Схема

пожара разлития

Высоту пламени (Н) можно вычислить по формуле:

где т — удельная массовая скорость выгорания топлива, кг- м^-2с^-1

g- 9,81 м/с²;

где u_d — безразмерная скорость ветра:

р_в — плотность окружающего воздуха, кг/м³;

d — эффективный диаметр пролива жидкости, м

Отношение высоты пламени к диаметру пролива лежит в диапазоне 1,75÷2,50, а угол отклонения пламени от вертикали

где т — массовая скорость выгорания, кг- м^-2- с^-1;

p_v — плотность пара, кт/м³;

.. g — ускорение силы тяжести, м/с²;

d — диаметр разлития, м,

и _W— скорость ветра, м/с

12.3. Тепловое излучение пламени

При пожарах, кроме самого пламени, поражающим фактором является также тепловое излучение.

Интенсивность теплового излучения q, кВт-м^-2 для пожара пролива или при горении твердых материалов вычисляется как:

где Е_f — среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени, кВт-м^-2;

Fq — угловой коэффициент облученности;

τ—коэффициент пропускания атмосферы

В соответствии с уравнением Стефана—Больцмана

Где σ = 5,67 10^-5 кДж/(м²сК^-4);

T_П — излучательная способность пламени; К

К — постоянная Стефана—Больцмана. Допускается принимать Ef равной:

100 кВт/м² — для СУГ,

40 кВт/м² — для нефтепродуктов,

40 кВт/м² — для твердых материалов.

Среднеповерхностную плотность излучения пламени в зависимости от диаметра очага и удельную массовую скорость выгорания для некоторых жидких углеводородных топлив можно оценить, используя данные табл. 12.1.

Таблица 12.1

Зависимость среднеповерхностной плотности излучения пламени от диаметра очага

Топливо	Ер кВт-м"^2	ш,
D, и	кг-м"^2-с"'
>10
СП Г (метан)						0,08
СУГ (пропан-бутан)						0,10
Бензин						0,06
Дизтопливо						0,04
Нефть						0,04

Коэффициент пропускания атмосферы меняется в широких пределах в зависимости от ее состояния. Допускается определять его по формуле:

T = exp[-7,0-10-⁴(r-0,5d)],

где r — расстояние от геометрического центра пролива до облучаемого объекта.

Угловой коэффициент облучаемости F определяют по формуле:

где F_v и Е_н — факторы облучаемости для вертикальной и горизонтальной площадок, определяемые по формулам:

12.4. Огненный шар

Пожары часто приводят к взрывам в результате перегрева сосудов высокого давления, опасных химических или взрывчатых веществ. Если сосуд высокого давления подвергнуть действию огня, то нагрев может ослабить прочность стенок, а передача тепла веществу, содержащемуся в сосуде, вызовет повышение давления внутри сосуда. Сочетание ослабленной прочности корпуса и повышенного давления может привести к его разрыву.

При этом образуется облако пара, которое вовлекает в себя при взрыве капли горючего. Облако переобогащено топливом, поэтому не взрывается, а горит по внешней оболочке и вытягивается, образуя огненный шар. Поднимаясь, огненный шар образует грибовидное облако, ножка которого — это сильное восходящее конвективное течение, которое может всасывать, зажигать и разбрасывать горящие предметы. Само облако интенсивно излучает тепло.

- Анализ показывает, что эффективный диаметр D_s, м, огненного шара можно оценить по формуле:

D_s = 5,33 m^0,327,

где т — масса горящего вещества, кг. При этом за т обычно принимается половина вместимости резервуара, а для группы вертикальных резервуаров за т принимается 90 % вместимости. Продолжительность существования огненного шара t_s, с, определяется как:

t= 0,92-m^0,303

12.5. Оценка поражающих факторов огненных шаров

Интенсивность теплового излучения q, кВт/м², для огненного шара определяют как и для пожара пролива. При этом допускается принимать значение iy равное 450 кВт/м². Значение E_q вычисляют по формуле:

E_q=H/D_s+0,5/4[(H/D_S+0,5)²+(r/D_S)²]^1,5

где Н — высота центра огненного шара, м (допускается принимать равной D_s/2);

r — расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром огненного шара, м.

Получение значения интенсивности излучения и продолжительности существования огненного шара можно использовать Для оценки ущерба с использованием пробитфункции.

Алгоритм анализа опасности огненного шара можно записать в следующем виде:

Определить количество горючего вещества, образующего огненный шар.

Определить диаметр и высоту огненного шара

Определить время жизни огненного шара.

Определить коэффициент пропускания атмосферы, среднеповерхностную плотность теплового излучения и угловой коэффициент облученности.

Определить интенсивность теплового излучения.

Используя критерии поражения, оценить поражающее действие огненного шара на человека и пороговые уровни воспламенения материалов.

Установить радиусы поражения для обслуживающего персонала и материалов.

Дата добавления: 2014-01-06