Методика оценки последствий аварийных вызовов топливно-воздушных смесей

МЕТОДИКА

ОЦЕНКИ  ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙНЫХ  ВЗРЫВОВ 

ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

(РД 03-409-01) 

      Топливно-воздушная  смесь (ТВС) представляет собой смесь  горючих газов или паров с воздухом с концентрацией горючего, превышающей нижний концентрационный предел воспламенения. Такие смеси могут образоваться при аварийной разгерметизации оборудования, в котором обращаются горючие газы, пары, перегретые горючие жидкости, а также при испарении пролива горючих жидкостей, имеющих температуру вспышки выше температуры окружающей среды (только в этом случае возможно образование над поверхностью пролива ТВС).

      Методика  [1] не предназначена для расчета параметров взрыва облака ТВС в закрытом пространстве (помещении).

      Решаются  две задачи: первая – расчет параметров взрыва ТВС на определенном расстоянии от эпицентра аварии с оценкой вероятности повреждений промышленных зданий и поражения людей, находящихся на этом расстоянии; вторая – оценка радиусов зон различной степени поражения ударной волной людей и повреждений промышленных зданий в соответствии с табл.1 (ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» [2]).

Таблица 1 - Предельно допустимое избыточное давление при сгорании газо- паро- или пылевоздушных смесей в помещении или на открытом пространстве

Степень поражения	Избыточное  давление, кПа
Полное  разрушение зданий, смертельное поражение  персонала 50%-ное  разрушение зданий Средние повреждения зданий Умеренные повреждения зданий (повреждение  внутренних перегородок, рам, дверей и т. п.) Нижний  порог повреждения человека волной давления Малые повреждения (разбита часть остекления)	100  53 28 12  5 2

 
 
 
 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВА ТВС 

Определение эффективного энергозапаса ТВС 

      Эффективный энергозапас горючей смеси определяется по соотношению

                                                 Е = М_г·q_г при С_г ≤ С_ст                                                         (1)

      или

                                                Е = М_г·q_г· С_ст/ С_г при  С_г > С_ст ,                                          (2)

где М_г – масса горючего вещества, содержащегося в облаке ТВС, кг (определяется исходя из условий развития аварии в соответствии с НПБ 105-03 [3], ПБ 09-540-03 [4]);

        q_г – теплота сгорания горючего газа, МДж/кг;

        С_г – концентрация горючего вещества в облаке ТВС, кг/м³;

        С_ст – стехиометрическая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, кг/м³.

      При расчете параметров взрыва облака, лежащего на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается.

      Стехиометрическая концентрация горючего вещества в ТВС  определяется из справочных данных или рассчитывается отдельно. Если определение концентрации горючего вещества в смеси затруднено, в качестве величины С_г принимается концентрация, соответствующая НКПВ горючего газа.

      Стехиометрическая концентрация может быть определена по формуле

                                              

    , (% об.)                                                   (3)

где - стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания;

      - число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего.

      Перевод величины С_ст из % об. в кг/м³ осуществляется по формуле

                                             

,                                                                  (4)

где  ρ_t – плотность газа, кг/м³.

      Для оценки объема облака ТВС можно использовать соотношение 

                                                       V = М_г/ С_ст                                                                       (5)

      Теплота сгорания горючего газа в ТВС берется из справочных данных или определяется по формуле

                                                            q_г = 44·β , МДж/кг                                                           (6)

      Корректировочный  параметр β для наиболее распространенных опасных веществ определяется из таблицы 2 (экспертная таблица института химической физики - ИХФ РАН).

Таблица 2 - Классификация горючих веществ по степени чувствительности к инициированию взрывных процессов

Класс 1		Класс 2		Класс 3		Класс 4
Особо чувствиительные вещества	β	Чувствительные вещества	β	Среднечувствительные вещества	β	Слабочувствительные вещества	β
размер  детонационной ячейки менее 2 см		размер  детонационной ячейки от 2  до 10 см		размер  детонационной ячейки от 10  до 40 см		размер  детонационной ячейки более 40 см
ацетилен	1,1	акрилонитрил	0,67	ацетальдегид	0,56	аммиак	0,42
винилацетилен	1,03	акролеин	0,62	ацетон	0,65	бензол	0,88
водород	2,73	бутан	1,04	бензин	1	декан	1
гидразин	0,44	бутилен	1	винилацетат	0,51	дизтопливо	1
изопропилнитрат	0,41	бутадиен	1	винилхлорид	0,42	о- дихлорбензол	0,42
размер  детонациионной ячейки менее 2 см		размер  детонационной ячейки от 2  до 10 см		размер  детонационной ячейки от 10  до 40 см		размер  детонационной ячейки более 40 см
метилацетилен	1,05	1,3-пентадиен	1	гексан	1	додекан	1
нитрометан	0,25	пропан	1,05	генераторный  газ	0,38	керосин	1
окись пропилена	0,7	пропилен	1,04	изооктан	1	метан	1,14
окись этилена	0,62	сероуглерод	0,32	метиламин	0,7	метилмеркаптан	0,53
этилнитрат	0,3	этан	1,08	метилацетат	0,53	метилхлорид	0,12
		Этилен	1,07	метилбутилкетон	0,79	метилбензол	1
		ШФЛУ	1	метилпропилкетон	0,76	нафталин	0,91
		диметиловый эфир	0,66	метилэтилкетон	0,71	окись углерода	0,23
		диэтиловый эфир	0,77	октан	1	фенол	0,92
		дивиниловый эфир	0,77	пиридин	0,77	хлорбензол	0,52
		диизопропиловый эфир	0,82	сероводород	0,34	этилбензол	0,90
				метиловый спирт	0,52	дихлорэтан	0,25

Продолжение таблицы 2

Класс 1		Класс 2		Класс 3		Класс 4
Особо чувствиительные вещества	β	Чувствительные вещества	β	Среднечувствительные вещества	β	Слабочувствительные вещества	β
				этиловый спирт	0,62	трихлорэтан	0,14
				пропиловый  спирт	0,69
				амиловый  спирт	-
				изобутиловый  спирт	0,79
				изопропиловый спирт	0,69
				циклогексан	1
				этилформиат	0,46
				этилхлорид	0,43
				сжиженный пиродный газ	1
				кумол	0,84
				печной  газ	0,09
				циклопропан	1
				этиламин	0,8

 
 

      Определение ожидаемого режима взрывного  превращения 

      Определение класса горючего вещества по степени чувствительности к инициированию взрывных процессов осуществляется с помощью табл.2.

      При отсутствии вещества в табл.2, его следует классифицировать по аналогии с имеющимися в таблице веществами, а при отсутствии информации о свойствах данного вещества – относить его к классу 1, то есть рассматривать как наиболее опасный случай.

      В связи с тем, что характер окружающего  пространства в значительной степени  определяет скорость взрывного превращения  облака ТВС и, следовательно, параметры ударной волны, геометрические характеристики окружающего пространства разделены на виды в соответствии со степенью загроможденности.

      Определение вида окружающей территории проводится по табл.3. 
 
 
 
 
 

Таблица 3 - Классификация окружающей территории

Вид 1	Наличие длинных  труб, полостей, каверн, заполненных  горючей смесью, при сгорании которой  возможно ожидать формирование турбулентных струй продуктов сгорания с размером не менее трех размеров детонационной ячейки данной смеси. Если размер детонационной ячейки неизвестен, то минимальный характерный размер турбулентных струй принимается равным 5 см для веществ класса 1, 20 см - для класса 2, 50 см - для класса 3, 150 см для веществ класса 4.
Вид 2	Сильно загроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов, высокая плотность размещения технологического оборудования, лес, большое количество повторяющихся препятствий
Вид 3	Средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические  установки,  резервуарный парк
Вид 4	Слабо загроможденное и свободное пространство

      По  классу горючего вещества и виду окружающего пространства с помощью табл.4 устанавливается режим взрывного превращения.

      Известны  два основных режима протекания взрывных процессов – детонация и дефлаграция. Дефлаграция – горение с высокой скоростью распространения фронта пламени (скорость распространения определяется теплопроводностью среды), которое сопровождается образованием и распространением ударной волны. Детонация – взрывное превращение вещества, при котором скорость распространения горения определяется скоростью  распространения ударной волны.

Таблица 4 - Экспертная таблица для определения режима взрывного превращения

Класс горючего вещества	Вид окружающего пространства
	1	2	3	4
	Ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения
1	1	1	2	3
2	1	2	3	4
3	2	3	4	5
4	3	4	5	6