Чрезвычайные ситуации, вызванные взрывами

Взрыв парогазовоздушного облака в неограниченном пространстве
Парогазовоздушное облако образуется при авариях в системах переработки, транспортировки и хранения сжиженных и сжатых газов, а также при испарении разлившейся горючей жидкости (нефть, бензин, бензол и т.п.).
Характерными особенностями взрывов облаков газопаровоздушных смесей являются:
возникновение взрывов разного типа (детонационного, дефлаграционного или комбинированного);
образование пяти зон поражения (детонационной, огненного шара, действия ударной волны, теплового поражения и токсического воздействия);
воспламенение газопаровоздушной смеси, которое происходит при наличии источника зажигания, когда концентрация топлива в смеси находится в пределах между НКПР и ВКПР пламени.

Рисунок. Зоны поражения при взрыве облака газопаровоздушной смеси:
1 — детонационная; 2 — «огненного шара»; 3 — действия ударной волны;
4 — теплового поражения; 5 — токсического воздействия

Радиус зоны детонационного взрыва, в пределах которой давление на фронте ударной волны постоянно и равно ΔРФ = 1 750 кПа, можно определить по следующей формуле, м:
(15)
где тгазТНТ — тротиловый эквивалент взрывоопасного газа (пара), кг;
(16)
Здесь η — коэффициент, зависящий от способа хранения горючего вещества (1 — для газа; 0,6 — для сжиженного газа под давлением; 0,1 — для сжиженного газа при пониженной температуре (изотермическое хранение); 0,06 — аварийный разлив легковоспламеняющейся жидкости (ЛВЖ)); Qvraз — энергия взрыва газа, кДж/кг (см. табл. 3); QvТНТ= 4520 кДж/кг — энергия взрыва тринитротолуола (тротила); тгаз — масса горючего газа, кг.

Радиус зоны взрывного горения («огненного шара»), м,
(17)
Как видно из рисунка, избыточное давление на фронте ударной волны в пределах огненного шара снижается от ΔРф = 1 750 кПа на границе зоны детонационного взрыва до величины, определяемой по формуле, кПа,
Избыточное давление на границе действия зоны ударной волны
(R3> R2 = 1,7 R1), кПа,
(18)
Зная величину избыточного давления на фронте ударной волны на расстоянии R3 от центра облака газопаровоздушной смеси, по таблице «Давление ΔРф, кПа, соответствующее степени разрушения» можно определить степень поражения людей и разрушения зданий.

Пример
Оценить последствия взрыва одиночного резервуара, содержащего 15 т сжиженного метана.
Определить:
размеры зон детонационного взрыва (R1) и «огненного шара» (R2);
степень поражения людей и зданий ударной волной на расстоянии R= R2+75, м.

Решение:
1. По формуле (16) найдем тротиловый эквивалент метана, учитывая, что для сжиженного газа под давлением η = 0,6, расчетная масса газа при одиночном хранении составляет 50 % массы газа в резервуаре и Qvмет = 50 * 103 кДж/кг (см. табл. 3), кг:
2. Радиус зоны детонационного взрыва [см. формулу (15)], м,

3. Радиус зоны взрывного горения [см. формулу (17)], м,
4. Избыточное давление на фронте ударной волны на расстоянии R = 234,7+ 75 = 309,7 м определим по формуле (18), кПа:
При таком избыточном давлении на фронте ударной волны будут разрушены все сооружения и погибнут все люди.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЯ
На производственном объекте произошло разрушение резервуара с ________________ вместимостью V1 м3. На расстоянии R м от резервуара находится диспетчерская, располагающаяся в _______________________ здании, в котором во время аварии находились N чел. Плотность распределения персонала на производственном объекте Р чел./км2. Температура окружающей среды Тос.
Определить размеры зон детонационного взрыва и «огненного шара», степень разрушения здания диспетчерской и потери среди персонала.

Оценка последствий взрыва ПГВО в неограниченном пространстве

Взрыв парогазовоздушного облака в ограниченном и пространстве
Парогазовоздушное облако может образоваться в ограниченном пространстве как на производстве (разгерметизация технологических агрегатов и трубопроводов с выбросом газа или разливом ЛВЖ), так и в быту (утечка газа из баллона, негерметичность газовых кранов и газопроводов, разлив ЛВЖ типа бензина и т.п.).
При анализе сценариев аварий рассматриваемого типа принимают, что все содержимое аппаратов поступает в помещение и одновременно происходит утечка вещества из подводящего и отводящего трубопроводов в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов.
Обычно принимают, что расчетное время отключения трубопроводов с автоматическим управлением составляет 120 с, с ручным — 300 с.

Масса газа, кг, поступившего в помещение при аварии,
(19)
где Vа — объем газа, вышедшего из аппарата (баллона, резервуара), м3; VT — объем газа, вышедшего из трубопровода, м3;
где Р1 — давление в аппарате, кПа; V1 — объем аппарата, м3;
VТ1 — объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м3;
VТ2 — 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 газа, м3/с;
τ — время отключения газопровода;
где Р2 — максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа;
ri — внутренний радиус i-го участка трубопровода, м;
Li — длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

При аварии аппарата (резервуара) с ЛВЖ часть жидкости может находиться в виде пара, вырывающегося при аварии в окружающее пространство, образуя первичное облако. Оставшаяся жидкость при аварии аппарата (резервуара) разливается внутри помещения с последующим испарением с зеркала разлива с образованием вторичного облака.
Масса пара в первичном облаке, кг,
где α — объемная доля оборудования, заполненная газовой фазой (обычно около 0,2);
μ — молекулярная масса жидкости, кг/кмоль;
R — универсальная газовая постоянная газа, равная 8,31 кДж/ (К*кмоль);
V1, P1, VТ и P2 — то же, что и в формуле (19);
Тж — температура жидкости в аппаратуре, К.

Разлившаяся жидкость с температурой Тж < Ткип испаряется с образованием пара массой, кг,
(20)
где W — интенсивность испарения жидкости, кг/(м2*с);
Fисп — площадь испарения, определяемая исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих по массе 70 % и менее растворителей, разливается по площади 0,5 кв.м, а 1 л остальных жидкостей — на 1 кв.м пола помещения;
τисп — время испарения разлившейся жидкости, с, равное либо времени полного испарения [τисп = mж/(WFисп)], либо ограничиваемое временем 3 600 с, в течение которых должны быть приняты меры по устранению аварии.

Интенсивность испарения разлившейся жидкости в помещении, кг/(м2*с), в рассматриваемом случае определяется по формуле
(21)
где η — коэффициент, зависящий от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения (табл. 6);
Рнас — давление насыщенного пара, кПа, которое находят по справочной литературе.
Таблица 6. Значения коэффициента η

Избыточное давление взрыва ΔРФ, кПа, для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов С, Н, О, Cl, Br, F, определяют по формуле
(22)
где Рmах — максимальное давление взрыва стехиометрической газопаровоздушной смеси в замкнутом объеме, определяемое по справочным данным (при отсутствии данных допускается принимать равным 900 кПа); Р0 — давление окружающей среды, принимаемое равным 101,3 кПа; т — масса горючего газа или паров ЛВЖ в помещении, кг; Z — коэффициент участия горючего во взрыве, принимаемый равным 1 для водорода, 0,5 — для других горючих газов, 0,3 — для паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, 0,5 — для горючих пылей; Аав — кратность воздухообмена аварийной вентиляции, ч-1; τав — время работы аварийной вентиляции, ч; VCB — свободный объем помещения, куб.м (можно принять равным 80 % помещения); ρг — плотность газа (пара) при расчетной температуре, кг/м3; сст — стехиометрическая концентрация горючего, об. %; Кн — коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатность процессов горения, принимаемый равным 3.

(23)
где β — стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения,β = пс + 0,25(пн - пх) - 0,5по (пс, пн, пх, по — число атомов С, Н, О и галогенов в молекуле горючего).
Плотность газа (пара) можно найти по формуле
(24)
где V0 — молярный объем, равный 22,4 куб.м/кмоль;
tp — расчетная температура, °С.
Величина избыточного давления взрыва [см. формулу (22)] является определяющей при категорировании помещений по взрывопожарной и пожарной опасности. На основании категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности в соответствии со СНиП 2.09.02 — 85 и СНиП 2.01.02 — 85 принимаются проектные решения, направленные на ограничение пожаров и взрывов.

Пример
Насосный зал нефтеперерабатывающего предприятия имеет размеры 54 х 12 x 8,5 м. В зале расположены четыре центробежных магистральных насоса, два из которых находятся в рабочем состоянии, два — резервные. Производительность каждого насоса Q= 2,78 м3/с. Нефть находится в насосе с максимальным объемом заполнения аппарата Van = 25,76 м3. Насос занимает площадь 4,6 x 2,8 м.
Отсечные вентили находятся в помещении насосной, а длины подводящего и отводящего нефтепроводов диаметром d = 1020 мм составляют l1 = 3 м и l2 = 4,4 м соответственно. Помещение насосного зала оборудовано системой аварийной вентиляции с кратностью Аав = 9 ч-1. Температура нефти равна средней максимальной температуре tн = 22,4 град.С, скорость воздуха в помещении при работе аварийной вентиляции составляет 1 м/с.
Оценить возможные последствия аварийного разлива нефти и последующего взрыва в результате разгерметизации одного магистрального нефтеперекачивающего насоса.

Решение:
1. Объем нефти, вышедшей из трубопроводов, м3,
где τ — время автоматического отключения насоса, принимаемое равным 2 мин (120 с).
Рассчитаем объем нефти, поступившей в помещение насосной (с учетом вылива из насоса, м3:

2. Найдем толщину слоя разлившейся нефти с учетом размеров насосной и оборудования.
Учитывая, что площадь помещения составляет Fпом = 54 * 12 = 648 м2,
а насосы занимают площадь Fнаc = 4 * 4,6 * 2,8 = = 51,52 м2,
определим величину свободной площади пола, м2:
Поступившая в помещение насосной нефть покроет всю свободную площадь пола слоем высотой, м,

3. Интенсивность испарения ЛВЖ, не нагретой до температуры кипения, вычислим по формуле (21), заимствуя давление насыщенных паров нефти из справочной литературы
Рнас = 2,95 кПа.
Тогда интенсивность испарения нефти составит [см. формулу (21)], кг/(м2*с),
Здесь в соответствии с табл. 6 при температуре в помещении около 20 °С и скорости воздушного потока 1 м/с коэффициент η = 7,7.
Массу паров нефти, образующихся при аварийном разливе, определим по формуле (20), кг:
Здесь время испарения нефти принято равным 3 600 с.

4. Поскольку масса разлившейся нефти при ее плотности ρнеф = 860 кг/м3 составляет, кг,
то за время аварийной ситуации, равное 3 600 с, испарится в объем помещения только (758 / 314209,6) * 100 = 0,24% разлившейся нефти.
5. По формуле (24) найдем плотность паров нефти, кг/м3:

6. Избыточное давление во фронте ударной волны при взрыве паров нефти вычислим по формуле (22), в которой дополнительно учтем уменьшение массы взрывоопасной смеси в результате работы аварийной вентиляции, кПа:
При расчете по формуле (22) принято, что:
коэффициент участия горючего во взрыве для ЛВЖ, нагретых до температуры ниже температуры вспышки, равен 0,3;
свободный объем помещения равен 80 % геометрического объема помещения, м3:
молекулярной массе нефти μ = 240 кг/кмоль соответствует формула С17Н38 (nс= 17, nн = 38, β = 17 + 0,25 * 38 = 26,5), а стехиометрическая концентрация паров нефти определяется по формуле (23), об. %:
коэффициент негерметичности и неадиабатности процесса горения КН=3;
уменьшение массы взрывоопасной смеси в результате работы аварийной вентиляции учитывается множителем (1 + Аавτ), где τ — время испарения нефти, принятое равным 1 ч (3 600 с).

7. Поскольку основные строительные конструкции здания насосной являются железобетонными, а ΔРдоп = 25 кПа, то здание разрушено не будет.
В том случае, когда аварийная вентиляция не работает или отсутствует, избыточное давление во фронте ударной волны увеличится на порядок и составит ΔРф =180 кПа, что приведет к полному разрушению здания насосной и гибели персонала.

ЗАДАНИЕ
Насосный зал нефтеперерабатывающего предприятия имеет размеры А х В х Н м. В зале расположены центробежные магистральные насосы НМ-1000 x 210. Производительность каждого насоса Q м3/ч, создаваемое давление Р = 2, 1 * 105 кПа. Нефть находится в насосе с максимальным объемом заполнения Van м3. Отсечные вентили (автоматическое отключение) находятся в помещении насосной, а длины подводящего и отводящего нефтепроводов радиусом r мм соответственно равны L1 и L2 м. Помещение насосного зала оборудовано системой аварийной вентиляции с кратностью Кав = 10 ч-1. Температура нефти равна средней максимальной температуре tн = 22,4 град. С. Скорость воздушного потока 1 м/с.
Оценить последствия аварийного разлива нефти в результате разгерметизации одного магистрального нефтеперекачивающего насоса при включенной и выключенной аварийной вентиляции.