|
Нормативные документы в сфере деятельности ___________________ |
Серия 27
Декларирование промышленной безопасности и оценка риска
Выпуск 9
РУКОВОДСТВО ПО БЕЗОПАСНОСТИ
«МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙНЫХ
ВЗРЫВОВ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ»
Москва
ЗАО НТЦ ПБ
2015
Руководство по безопасности «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей» разработано в целях содействия соблюдению требований федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» и «Общие требования к обоснованию безопасности опасного производственного объекта».
В разработке Руководства по безопасности принимали участие А.С. Печеркин, М.В. Лисанов, Д.В. Дегтярев, А.А. Агапов, Е.А. Агапова, А.С. Софьин (ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности»), С.И. Сумской (Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»), С.А. Жулина, В.В. Козельский, Г.М. Селезнев, И.С. Ясинский (Ростехнадзор).
Руководство содержит рекомендации по оценке параметров воздушных ударных волн при взрывах топливно-воздушных смесей, образующихся в атмосфере при промышленных авариях, определению вероятных степеней поражения людей и степени повреждений зданий от взрывной нагрузки при авариях со взрывами облаков таких смесей.
СОДЕРЖАНИЕ
ФЕДЕРАЛЬНАЯ
СЛУЖБА ПО ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ,
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ И АТОМНОМУ НАДЗОРУ
(РОСТЕХНАДЗОР)
ПРИКАЗ
|
20 апреля 2015 г. |
№ 159 |
Москва
Об утверждении Руководства по безопасности
«Методика оценки последствий аварийных
взрывов топливно-воздушных смесей»
В целях реализации Положения о Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору, утвержденного постановлением Правительства Российской Федерации от 30 июля 2004 г № 401, приказываю:
1. Утвердить прилагаемое Руководство по безопасности «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей».
2. Считать не подлежащим применению постановление Федерального горного и промышленного надзора России от 26 июня 2001 г. № 25 «Об утверждении «Методики оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей» (РД 03-409-01).
|
Руководитель |
А.В. Алёшин |
Приложение
РУКОВОДСТВО ПО БЕЗОПАСНОСТИ
«Методика оценки последствий аварийных взрывов
топливно-воздушных смесей»
I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Руководство по безопасности «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей» (далее - Руководство) разработано в целях содействия соблюдению требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств», утвержденных приказом Ростехнадзора от 11 марта 2013 г. № 96 (зарегистрирован Минюстом России 16 апреля 2013 г., регистрационный № 28138) (далее - Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств»), и требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Общие требования к обоснованию безопасности опасного производственного объекта», утвержденных приказом Ростехнадзора от 15 июля 2013 г. № 306 (зарегистрирован Минюстом России 20 августа 2013 г., регистрационный № 29581) (далее - Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Общие требования к обоснованию безопасности опасного производственного объекта»).
2. Настоящее Руководство содержит рекомендации к оценке параметров воздушных ударных волн при взрывах топливно-воздушных смесей, образующихся в атмосфере при промышленных авариях, для обеспечения требований промышленной безопасности при проектировании, строительстве, капитальном ремонте, техническом перевооружении, реконструкции, эксплуатации, консервации и ликвидации опасных производственных объектов, и не является нормативным правовым актом. Руководство содержит рекомендации по определению вероятных степеней поражения людей и степени повреждений зданий от взрывной нагрузки при авариях со взрывами облаков ТВС.
3. Организации, осуществляющие оценку последствий аварий со взрывом топливно-воздушных смесей, могут использовать иные обоснованные способы и методы, чем те, которые указаны в настоящем Руководстве.
4. В Руководстве используются сокращения, обозначения, а также термины и определения, приведенные в приложениях № 1 и 2 к настоящему Руководству.
5. Руководство распространяется на опасные производственные объекты, на которых возможны случаи аварии, сопровождающиеся взрывами облаков ТВС.
II. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОЦЕНКЕ
ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВОВ ТВС
6. Для количественной оценки параметров воздушных ударных волн при взрывах ТВС рекомендуется рассматривать частичную разгерметизацию и полное разрушение оборудования, содержащего горючее вещество в газообразной или жидкой фазе, выброс этого вещества в окружающую среду, образование облака ТВС, инициирование ТВС, взрывное превращение (горение или детонация) в облаке ТВС.
7. В образовании облака ТВС рекомендуется рассматривать горючее вещество одного вида, в противном случае (для смеси нескольких горючих веществ) характеристики ТВС, используемые при расчетах параметров ударных волн, определяются отдельно.
8. Для расчета параметров ударных волн при взрыве облака ТВС рекомендуется учитывать следующие исходные данные:
а) характеристики горючего вещества, содержащегося в облаке ТВС;
б) агрегатное состояние ТВС (газовое или гетерогенное);
в) средняя концентрация горючего вещества в смеси сг;
г) стехиометрическая концентрация горючего газа с воздухом сст;
д) масса горючего вещества, содержащегося в облаке1, Мг (если эта величина неизвестна, то ее расчет рекомендуется проводить согласно приложению № 3 к Федеральным нормам и правилам в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств»);
е) удельная теплота сгорания горючего вещества qг;
ж) информация об окружающем пространстве.
________
1Более точно: масса горючего вещества в облаке, участвующая в создании поражающих факторов взрыва, Мг (Примеч. изд.)
9. В качестве основных структурных элементов алгоритма расчетов (рис. 3-1 приложения № 3 к настоящему Руководству) рекомендуется рассматривать:
а) определение массы горючего вещества, содержащегося в облаке;
б) определение эффективного энергозапаса ТВС;
в) определение ожидаемого режима взрывного превращения ТВС;
г) расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных ударных волн для различных режимов;
д) определение дополнительных характеристик взрывной нагрузки;
е) оценка поражающего воздействия взрыва ТВС.
III. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОСНОВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВА ТВС
Определение эффективного энергозапаса ТВС
10. Эффективный энергозапас горючей смеси определяется по соотношению:
|
E = Мгqг при сг ≤ сст |
(1) |
или
|
E = Мгqг/сст/сг при сг > сст. |
|
11. При расчете параметров взрыва облака, лежащего на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается. Для оценки объема газового облака ТВС можно воспользоваться простым соотношением:
|
V = Мг/сст. |
(2) |
12. Массу участвующую во взрыве для дрейфующего облака, рекомендуется определять на момент времени, когда взрывоопасный объем дрейфующего облака достигает источников возможного воспламенения или если распределение источников воспламенения по территории неизвестно, то на момент времени, когда взрывоопасная масса при дрейфе достигает своего максимального значения. Определение массы, участвующей во взрыве для дрейфующего облака, рекомендуется выполнять в соответствии с Руководством по безопасности «Методика моделирования распространения аварийных выбросов опасных веществ», утвержденным приказом Ростехнадзора от 20 апреля 2015 г. № 159.
Примечания: 1. Стехиометрическая концентрация горючего вещества в ТВС определяется из справочных данных или рассчитывается отдельно.
2. В случае, если определение концентрации горючего вещества в смеси затруднено, в качестве величины сг в соотношении (1) принимается концентрация, соответствующая нижнему концентрационному пределу воспламенения горючего газа.
3. Теплота сгорания горючего газа qг в ТВС берется из справочных данных или оценивается по формуле: qг = 44β МДж/кг.
Корректировочный параметр β для наиболее распространенных в промышленном производстве опасных веществ определяется из табл. 4-1.
4. Масса горючего газа, содержащегося в облаке ТВС, может задаваться в качестве исходного параметра или определяться исходя из условий развития аварий. При оценке последствий аварий массу Мг рекомендуется определять согласно Федеральным нормам и правилам в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтеперерабатывающих производств».
Определение ожидаемого режима взрывного превращения
Классификация горючих веществ по степени чувствительности
13. ТВС, способные к образованию горючих смесей с воздухом, по своим взрывоопасным свойствам разделены на четыре класса. Классификация горючих веществ приведена в табл. 4-1 приложения № 3 к настоящему Руководству.
В случае если вещество отсутствует в табл. 4-1, 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.
Классификация окружающей территории
14. В связи с тем, что характер окружающего пространства в значительной степени определяет скорость взрывного превращения облака ТВС, рекомендуется параметры ударной волны, геометрические характеристики окружающего пространства разделять на виды в соответствии со степенью его загроможденности.
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 для данной смеси неизвестен, то минимальный характерный размер турбулентных струй принимается равным 5 см для веществ класса 1; 20 см - для веществ класса 2; 50 см - для веществ класса 3 и 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.
Классификация ожидаемого режима взрывного превращения
15. Известны два основных режима протекания быстропротекающих процессов - детонация и дефлаграция. Для оценки параметров действия взрыва возможные режимы взрывного превращения ТВС разбиты на шесть диапазонов по скоростям их распространения, причем пять из них приходятся на процессы дефлаграционного горения ТВС, поскольку характеристики процесса горения со скоростями фронта, меньшими 500 м/с, имеют существенные качественные различия.
16. Ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения определяется с помощью табл. 1 в зависимости от класса горючего вещества и вида окружающего пространства. Допускается использование более точных значений скорости взрывного превращения при их обосновании.
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 |
17. Ниже приводится разбиение режимов взрывного превращения ТВС по диапазонам скоростей.
Диапазон 1. Детонация или горение со скоростью фронта пламени 500 м/с и больше.
Диапазон 2. Дефлаграция, скорость фронта пламени 300 - 500 м/с.
Диапазон 3. Дефлаграция, скорость фронта пламени 200 - 300 м/с.
Диапазон 4. Дефлаграция, скорость фронта пламени 150 - 200 м/с.
Диапазон 5. Дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соотношением:
|
Vг = k1Мг1/6, |
(3) |
где k1 - константа, равная 43.
Диапазон 6. Дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соотношением:
|
Vг = k2Мг1/6, |
(4) |
где k2 - константа, равная 26.
Оценка агрегатного состояния ТВС
18. Для дальнейших расчетов необходимо оценить агрегатное состояние топлива смеси. Предполагается, что смесь гетерогенная, если более 50 % топлива содержится в облаке в виде капель, в противном случае ТВС считается газовой. Провести такие оценки можно исходя из величины давления насыщенных паров топлива при данной температуре и времени формирования облака. Для летучих веществ, таких, как пропан при температуре 20 °С, смесь можно считать газовой, а для веществ с низким давлением насыщенного пара (распыл дизтоплива при 20 °С) расчеты проводятся в предположении гетерогенной топливно-воздушной смеси.
Расчет
максимального избыточного давления и импульса фазы
сжатия воздушных ударных волн
19. После того как определен вероятный режим взрывного превращения, рассчитываются основные параметры воздушных ударных волн (избыточное давление ΔР и импульс волны давления I) в зависимости от расстояния до центра облака.
Детонация газовых и гетерогенных ТВС
20. Для вычисления параметров воздушной ударной волны на заданном расстоянии r от центра облака при детонации облака ТВС предварительно рассчитывается соответствующее безразмерное расстояние по соотношению:
|
Rх = r/(E/P0)1/3. |
(5) |
Примечание. Все соотношения также могут быть записаны в функциях аргумента λпар = 100r/E1/3. При принятых в Руководстве допущениях между Rx и λпар существует простая связь: λпар = 2,15/Rx.
21. Далее рассчитываются безразмерное давление Рх и безразмерный импульс фазы сжатия Ix.
22. В случае детонации облака газовой ТВС расчет производится по следующим формулам:
|
ln(Рх) = -1,124 - 1,66ln(Rх) + 0,26(ln(Rх))2 ± 10 %; |
(6) |
|
ln(Iх) = -3,4217 - 0,898ln(Rх) - 0,0096(ln(Rх))2 ± 15 %; |
(7) |
Зависимости (6) и (7) справедливы для значений Rx, больших величины Rк = 0,2 и меньших Rк = 242. В случае Rx < 0,2 величина Рх полагается равной 18, а в выражение (7) подставляется значение Rx = 0,142.
________
2Более точно принимать Rк = 6,5. (Примеч. изд.)
23. В случае детонации облака гетерогенной ТВС расчет производится по следующим формулам:
Зависимости (8) и (9) справедливы для значений Rx больших величины Rк = 0,25. В случае если Rx < Rк, величина Рх полагается равной 18, а величина Iх = 0,16.
Дефлаграция газовых и гетерогенных ТВС
24. В случае дефлаграционного взрывного превращения облака ТВС к параметрам, влияющим на величины избыточного давления и импульса положительной фазы, добавляются скорость видимого фронта пламени (Vг) и степень расширения продуктов сгорания (σ). Для газовых смесей принимается σ = 7, для гетерогенных - σ = 4. Для расчета параметров ударной волны при дефлаграции гетерогенных облаков величина эффективного энергозапаса смеси домножается на коэффициент (σ - 1)/σ.
25. Безразмерные давление Px1 и импульс фазы сжатия Ix1, определяются по соотношениям:
|
Рх1 = (Vг/С0)2((σ - 1)/σ)(0,83/Rx - 0,14/Rx2); |
(10) |
|
Ix1 = (Vг/С0)((σ - 1)/σ)(1 - 0,4(σ - 1)Vг/σC0)(0,06/Rx + 0,01/Rx2 -0,0025/Rx3). |
(11) |
Выражения (10) и (11) справедливы для значений Rx, больших величины Rкр = 0,34, в противном случае вместо Rx в соотношения (10) и (11) подставляется величина Rкр.
26. Далее вычисляются величины Рх2 и Ix2, которые соответствуют режиму детонации и для случая детонации газовой смеси рассчитываются по соотношениям (6), (7), а для детонации гетерогенной смеси - по соотношениям (8), (9). Окончательные значения Рх и Ix выбираются из условий:
|
Рх = min(Рх1, Рх2); Ix = min(Iх1, Iх2). |
(12) |
27. После определения безразмерных величин давления и импульса фазы сжатия вычисляются соответствующие им размерные величины:
|
(13) |
|
|
I = Iх(Р0)2/3E1/3/C0. |
(14) |
IV. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВА ТВС
Профиль ударной волны
28. Характерный профиль ударной волны при взрыве ТВС показан на рис. 1.
Рис. 1. Характерный профиль ударной волны
В пунктах 29 - 35 показано, как определяются количественные характеристики дополнительных параметров ударной волны.
Параметры падающей волны при детонации облака газовой смеси
29. Параметры падающей волны при детонации облака газовой смеси рассчитываются по следующим соотношениям3:
________
3Соотношения 15 - 20 справедливы при 1,3 ≤ λпар ≤ 14. (Примеч. изд.)
Амплитуда фазы сжатия:
|
ln(ΔP+/P0) = 0,299 - 2,058lnλпар + 0,26(lnλпар)2. |
(15) |
Амплитуда фазы разрежения:
|
ln(ΔP-/P0) = -1,46 - 1,402lnλпар + 0,079(lnλпар)2. |
(16) |
Длительность фазы сжатия:
|
ln(105τ+/E1/3) = 0,106 + 0,448lnλпар - 0,026(lnλпар)2. |
(17) |
Длительность фазы разрежения:
|
ln(105τ-/E1/3) = 1,299 + 0,412lnλпар - 0,079(lnλпар)2. |
(18) |
Импульс фазы сжатия:
|
ln(I+/E1/3) = -0,843 - 0,932lnλпар - 0,037(lnλпар)2. |
(19) |
Импульс фазы разрежения:
|
ln(I-/E1/3) = -0,873 - 1,25lnλпар + 0,132(lnλпар)2. |
(20) |
30. Форма падающей волны с описанием фаз сжатия и разрежения в наиболее опасном случае детонации газовой смеси может быть описана соотношением:
|
ΔP(t, λпар) = ΔP+(sin(π(t - τ+)/τ-)/sin(-πτ+/τ-))exp(-Kit/τ+). |
(21) |
31. Декремент затухания в падающей волне рассчитывается по соотношению:
|
Ki = 0,889 - 0,356 lnλпар + 0,105(lnλпар)2. |
(22) |
Параметры отраженной ударной волны
32. Для расчета параметров отраженной волны при ее нормальном падении на преграду используются следующие соотношения:
Амплитуда отраженной волны давления:
|
ln(ΔPr+/P0) = -1,264 - 2,056lnλпар + 0,211(lnλпар)2. |
(23) |
Амплитуда отраженной волны разрежения:
|
ln(ΔPr-/P0) = -673 - 1,043lnλпар + 0,252(lnλпар)2. |
(24) |
Длительность отраженной волны давления:
|
ln(105τr+/E1/3) = -0,109 + 0,983lnλпар - 0,23(lnλпар)2. |
(25) |
Длительность отраженной волны разрежения:
|
ln(105τr-/E1/3) = 1,265 + 0,857lnλпар - 0,192(lnλпар)2. |
(26) |
Импульс отраженной волны давления:
|
ln(Ir+/E1/3) = -0,07 - 1,033lnλпар + 0,045(lnλпар)2. |
(27) |
Импульс отраженной волны разрежения:
|
ln(Ir-/E1/3) = -0,52 - 0,462lnλпар - 0,27(lnλпар)2. |
(28) |
Общее время действия отраженных волн на мишень:
|
ln(105(τr+/τr-)/E1/3) = -1,497 + 0,908lnλпар - 0,404(lnλпар)2. |
(29) |
33. Форма отраженной волны с описанием фаз сжатия и разрежения с хорошей для практических целей точностью может быть описана соотношением:
|
ΔPr(t, λпар) = ΔPr+(sin(π(t - τr+)/τr-)/sin(-πτr+)/(τr-))exp(-Krt/τr+). |
(30) |
34. Декремент затухания в отраженной волне рассчитывается по соотношению:
|
Kr = 0,978 - 0,554lnλпар + 0,26(lnλпар)2. |
(31) |
Соотношения (15) - (31) справедливы при значениях λпар, до 51,6.
Параметры волны при произвольном режиме сгорания
35. Импульсные характеристики падающих и отраженных волн не зависят от скорости взрывного превращения. Интенсивность и длительность действия ударных волн при λпар ≥ 1 рассчитываются по соотношениям предыдущего раздела. Возможность таких оценок основана на сравнении опытных данных с фактическими сведениями об авариях.
V. ОЦЕНКА ПОРАЖАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
36. При взрывах ТВС существенную роль играют такие поражающие факторы, как длительность действия ударной волны и связанный с ней параметр импульс взрыва. Реальное деление плоскости факторов поражения на диаграмме импульс - давление4 на две части (внутри - область разрушения, вне - область устойчивости) не имеет четкой границы. При приближении параметров волны к границе опасной области вероятность заданного уровня поражения нарастает от 0 до 100 %. При превышении известного уровня величин амплитуды давления и импульса достигается 100 % вероятность поражения. Эта типичная особенность диаграмм поражения может быть отражена представлением вероятности достижения того или иного уровня ущерба с помощью пробит-функции - Pri.
________
4См. рис. 2. (Примеч. изд.)
Оценка вероятности повреждений промышленных зданий от
взрыва
облака ТВС
37. Вероятность повреждений стен промышленных зданий, при которых возможно восстановление зданий без их сноса, может оцениваться по соотношению:
|
Pr1 = 5 - 0,26lnV1. |
(32) |
Фактор V1 рассчитывается с учетом перепада давления в волне и импульса статического давления по соотношению:
|
V1 = (17500/ΔP)8,4 + (290/I)9,3. |
(33) |
38. Вероятность разрушений промышленных зданий, при которых здания подлежат сносу, оценивается по соотношению:
|
Pr2 = 5 - 0,22lnV2. |
(34) |
В этом случае фактор V2 рассчитывается по формуле:
|
V2 = (40000/ΔP)7,4 + (460/I)11,3. |
(35) |
На рис. 2 приведена P-I диаграмма, соответствующая различным значениям поражения зданий ударной волной при взрыве облака ТВС.
Оценка вероятности поражения людей при взрыве облака ТВС
В пунктах 39 - 41 приводятся соотношения, которые могут быть использованы для расчета уровня вероятности поражения воздушной волной живых организмов (в том числе и человека).
39. Вероятность длительной потери управляемости у людей (состояние нокдауна), попавших в зону действия ударной волны при взрыве облака ТВС, может быть оценена по величине пробит-функции:
|
Pr3 = 5 - 5,74lnV3. |
(36) |
Фактор опасности V3 рассчитывается по соотношению
|
|
(37) |
Безразмерное давление и безразмерный импульс задаются выражениями:
|
|
(38) |
где m - масса тела живого организма, кг.
Рис. 2. P-I диаграмма для оценки уровня разрушения промышленных зданий:
1 - граница
минимальных разрушений; 2 - граница значительных
повреждений; 3 - разрушение зданий (50 - 75 % стен разрушено)
На рис. 3 приведена P-I диаграмма, соответствующая различным значениям вероятности поражения людей, попавших в зону действия взрыва.
Рис. 3. P-I диаграмма для экспресс-оценки поражения
людей
от взрыва ТВС 40 41
40. Вероятность разрыва барабанных перепонок у людей может оцениваться по пробит-функции:
|
Pr4 = -12,6 + 1,524lnΔР. |
(39) |
41. Вероятность отброса людей волной давления может оцениваться по величине пробит-функции:
|
Pr5 = 5 - 2,44lnV5. |
(40) |
Здесь фактор V5 рассчитывается из соотношения
|
V5 = 7,38⋅103/ΔP + 1,3⋅109/(ΔPI). |
(41) |
Связь функции Pri с вероятностью той или иной степени поражения находится по табл. 2.
Связь вероятности поражения с пробит-функцией
|
р,% |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
0 |
|
2,67 |
2,95 |
3,12 |
3,25 |
3,38 |
3,45 |
3,52 |
3,59 |
3,66 |
|
10 |
3,72 |
3,77 |
3,82 |
3,86 |
3,92 |
3,96 |
4,01 |
4,05 |
4,08 |
4,12 |
|
20 |
4,16 |
4,19 |
4,23 |
4,26 |
4,29 |
4,33 |
4,36 |
4,39 |
4,42 |
4,45 |
|
30 |
4,48 |
4,50 |
4,53 |
4,56 |
4,59 |
4,61 |
4,64 |
4,67 |
4,69 |
4,72 |
|
40 |
4,75 |
4,77 |
4,80 |
4,82 |
4,85 |
4,87 |
4,90 |
4,92 |
4,95 |
4,97 |
|
50 |
5,00 |
5,03 |
5,05 |
5,08 |
5,10 |
5,13 |
5,15 |
5,18 |
5,20 |
5,23 |
|
60 |
5,25 |
5,28 |
5,31 |
5,33 |
5,36 |
5,39 |
5,41 |
5,44 |
5,47 |
5,50 |
|
70 |
5,52 |
5,55 |
5,58 |
5,61 |
5,64 |
5,67 |
5,71 |
5,74 |
5,77 |
5,81 |
|
80 |
5,84 |
5,88 |
5,92 |
5,95 |
5,99 |
6,04 |
6,08 |
6,13 |
6,18 |
6,23 |
|
90 |
6,28 |
6,34 |
6,41 |
6,48 |
6,55 |
6,64 |
6,75 |
6,88 |
7,05 |
7,33 |
|
99 |
7,33 |
7,37 |
7,41 |
7,46 |
7,51 |
7,58 |
7,65 |
7,75 |
7,88 |
8,09 |
Оценка радиусов зон поражения
42. Для определения радиусов зон поражения может быть использован следующий метод, который состоит в численном решении уравнения:
|
k/(ΔP(r) - P*) = I(r) - I*, |
(42) |
причем константы k, Р*, I* зависят от характера зоны поражения и определяются из табл. 3, а функции P(r) и I(r) находятся по соотношениям (8) - (14) соответственно.
Константы для определения радиусов зон поражения при взрывах ТВС
|
Характеристика действия ударной волны |
I*, Па⋅с |
P*, Па |
k, Па2⋅с |
|
Разрушение зданий |
|||
|
Полное разрушение зданий |
770 |
70100 |
886100 |
|
Граница области сильных разрушений: 50 - 75 % стен разрушено или находится на грани разрушения |
520 |
34500 |
541000 |
|
Граница области значительных повреждений: повреждение некоторых конструктивных элементов, несущих нагрузку |
300 |
14600 |
119200 |
|
Граница области минимальных повреждений: разрывы некоторых соединений, расчленение конструкций |
100 |
3600 |
8950 |
|
Полное разрушение остекления |
0 |
7000 |
0 |
|
50 % разрушение остекления |
0 |
2500 |
0 |
|
10 % и более разрушение остекления |
0 |
2000 |
0 |
|
Поражение органов дыхания незащищенных людей |
|||
|
50 % выживание |
440 |
243000 |
1,44⋅108 |
|
Порог выживания (при меньших значениях смертельн. поражения людей маловероятны) |
100 |
65900 |
1,62⋅107 |
43. Для оценки последствий взрывов ТВС допускается применять формулу для определения радиусов зон поражения:
|
r = KW1/3/(1 + (3180/W)2)1/6, |
(43) |
где коэффициент K определяется согласно табл. 4, а W - тротиловый эквивалент взрыва, определяемый из соотношения:
|
|
(44) |
где qг - теплота сгорания газа.
Уровни разрушения зданий
|
Категория повреждения |
Характеристика повреждения здания |
Избыточное давление ΔР, кПа |
Коэффициент K |
|
А |
Полное разрушение здания |
> 100 |
3,8 |
|
В |
Тяжелые повреждения, здание подлежит сносу |
70 |
5,6 |
|
С |
Средние повреждения, возможно восстановление здания |
28 |
9,6 |
|
D |
Разрушение оконных проемов, легкосбрасываемых конструкций |
14 |
28,0 |
|
Е |
Частичное разрушение остекления |
< 2,0 |
56 |
44. Для определения радиуса смертельного поражения человека в соотношение (43) следует подставлять величину K = 3,8.
Примеры расчетов последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей приведены в приложении № 5 к настоящему Руководству.
Приложение № 1
к Руководству
В настоящем Руководстве используются следующие обозначения и сокращения:
ТВС - топливно-воздушная смесь;
ШФЛУ - широкая фракция легких углеводородов;
С0 - скорость звука в воздухе, м/с;
сг - концентрация горючего вещества в облаке ТВС, кг/м3;
сст - стехиометрическая концентрация вещества в смеси с воздухом, кг/м3;
Е - эффективный энергозапас ТВС, Дж;
I* - коэффициент уравнения;
I - импульс волны давления, Па⋅с;
I+ - импульс фазы сжатия, Па⋅с;
I- - импульс фазы разрежения, Па⋅с;
Ir+ - импульс отраженной волны давления, Па⋅с;
Ir- - импульс отраженной волны разрежения, Па⋅с;
Ix - безразмерный импульс фазы сжатия;
K - коэффициент уравнения;
k - коэффициент уравнения;
Ki - декремент затухания;
Kr - декремент изменения давления в отраженной волне;
Мг - масса горючего вещества, содержащегося в облаке ТВС, кг;
- безразмерное давление;
Р* - коэффициент уравнения;
ΔР - избыточное давление, Па;
ΔР+ - амплитуда волны давления, Па;
ΔР- - амплитуда волны разрежения, Па;
ΔРr+ - амплитуда отраженной волны давления, Па;
ΔРr- - амплитуда отраженной волны разрежения, Па;
Р0 - атмосферное давление, Па;
Рх - безразмерное давление;
Рr1 - пробит-функция повреждений стен промышленных зданий;
Рr2 - пробит-функция разрушения промышленных зданий;
Рr3 - пробит-функция длительной потери управляемости у людей (состояние нокдауна);
Рr4 - пробит-функция разрыва барабанных перепонок у людей;
Рr5 - пробит-функция отброса людей волной давления;
r - расстояние от центра облака ТВС, м;
Rx - безразмерное расстояние от центра облака ТВС;
Rкр - пороговое значение величины Rx:
Vг - скорость видимого фронта пламени, м/с;
W - тротиловый эквивалент взрыва ТВС, кг;
m - средняя масса человека, кг;
qг - удельная теплота сгорания газа, Дж/кг;
t - время процесса, с;
β - корректировочный параметр, характеризующий фугасные свойства ТВС;
λпар - параметрическое расстояние;
σ - степень расширения продуктов сгорания;
τ+ - длительность фазы сжатия, с;
τ- - длительность фазы разрежения, с;
τr+ - длительность отраженной волны давления, с;
τr- - длительность отраженной волны разрежения, с.
Приложение № 2
к Руководству
В настоящем Руководстве применены следующие термины с соответствующими определениями:
авария - разрушение сооружений и (или) технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, неконтролируемые взрыв и (или) выброс опасных веществ (статья 1 к Федеральному закону от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»);
анализ риска аварии - процесс идентификации опасностей и оценки риска аварии на опасном производственном объекте для отдельных лиц или групп людей, имущества или окружающей природной среды;
взрыв - неконтролируемый быстропротекающий процесс выделения энергии, связанный с физическим, химическим или физико-химическим изменением состояния вещества, приводящий к резкому динамическому повышению давления или возникновению ударной волны, сопровождающийся образованием сжатых газов, способных привести к разрушительным последствиям;
дефлаграция (дефлаграционный взрыв) - взрыв, при котором нагрев и воспламенение последующих слоев взрывчатого вещества происходит в результате диффузии и теплоотдачи, характеризующийся тем, что фронт ударной волны и фронт пламени движутся с дозвуковой скоростью;
идентификация опасностей аварии - процесс выявления и признания, что опасности аварии на опасном производственном объекте существуют, и определения их характеристик;
обоснование безопасности - документ, содержащий сведения о результатах оценки риска аварии на опасном производственном объекте и связанной с ней угрозы, условия безопасной эксплуатации опасного производственного объекта, требования к эксплуатации, капитальному ремонту, консервации и ликвидации опасного производственного объекта (статья 1 к Федеральному закону от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»);
опасность аварии - угроза, возможность причинения ущерба человеку, имуществу и (или) окружающей среде вследствие аварии на опасном производственном объекте. Опасности аварий на опасных производственных объектах связаны с возможностью разрушения сооружений и (или) технических устройств, взрывом и (или) выбросом опасных веществ с последующим причинением ущерба человеку, имуществу и (или) нанесением вреда окружающей природной среде;
опасные вещества - воспламеняющиеся, окисляющие, горючие, взрывчатые, токсичные, высокотоксичные вещества и вещества, представляющие опасность для окружающей природной среды, указанные в приложении 1 к Федеральному закону от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»;
оценка риска аварии - процесс, используемый для определения вероятности (или частоты) и степени тяжести последствий реализации опасностей аварий для здоровья человека, имущества и (или) окружающей природной среды. Оценка риска включает анализ вероятности (или частоты), анализ последствий и их сочетания;
риск аварии - мера опасности, характеризующая возможность возникновения аварии на опасном производственном объекте и тяжесть ее последствий;
сценарий аварии - последовательность отдельных логически связанных событий, обусловленных конкретным инициирующим (исходным) событием, приводящих к определенным опасным последствиям аварии.
Приложение № 3
к Руководству
Рис. 3-1. Алгоритм расчета последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей
Приложение № 4
к Руководству
Классификация горючих веществ по степени чувствительности
|
Класс 1 |
Класс 2 |
Класс 3 |
Класс 4 |
||||
|
Особо чувствительные вещества |
Чувствительные вещества |
Среднечувствительные вещества |
Слабочувствительные вещества |
||||
|
(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 больше 40 см) |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
β |
|
β |
|
β |
|
β |
|
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 |
|
Метилацстилен |
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 |
Метилбензол |
1 |
|
Этилнитрат |
0,3 |
Этан |
1,08 |
Метилацетат |
0,53 |
Метилмеркаптан |
0,53 |
|
|
|
Этилен |
1,07 |
Метилбутилкетон |
0,79 |
Метилхлорид |
0,12 |
|
|
|
ШФЛУ |
1 |
Метилпропилкетон |
0,76 |
Нафталин |
0,91 |
|
|
|
Диметиловый эфир |
0,66 |
Метилэтилкетон |
0,71 |
Окись углерода |
0,23 |
|
|
|
Дивиниловый эфир |
0,77 |
Октан |
1 |
Фенол |
0,92 |
|
|
|
Метил бут иловый эфир |
- |
Пиридин |
0,77 |
Хлорбензол |
0,52 |
|
|
|
Диэтиловый эфир |
0,77 |
Сероводород |
0,34 |
Этилбензол |
0,90 |
|
|
|
Диизопропиловый эфир |
0,82 |
Метиловый спирт |
0,52 |
Дихлорэтан |
0,25 |
|
|
|
|
|
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 природный газ |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Кумол |
0,84 |
|
|
|
|
|
|
|
Печной газ |
0,09 |
|
|
|
|
|
|
|
Циклопропан |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Этиламин |
0,8 |
|
|
Приложение № 5
к Руководству
Примеры расчетов последствий аварийных взрывов
топливно-воздушных смесей
Пример 1
В результате аварии на автодороге, проходящей по открытой местности, в безветренную погоду произошел разрыв автоцистерны, содержащей 8 т сжиженного пропана. Для оценки максимально возможных последствий принято, что в результате выброса газа в пределах воспламенения оказалось практически все топливо, перевозившееся в цистерне. Средняя концентрация пропана в образовавшемся облаке составила около 140 г/м3. Расчетный объем облака составил 57 тыс. м3. Воспламенение облака привело к возникновению взрывного режима его превращения. Требуется определить параметры воздушной ударной волны (избыточное давление и импульс фазы сжатия) на расстоянии 100 м от места аварии.
Решение:
сформируем исходные данные для дальнейших расчетов:
тип топлива - пропан;
агрегатное состояние смеси - газовое;
концентрация горючего в смеси сг = 0,14 кг/м3;
масса топлива, содержащегося в облаке, Мг = 8000 кг;
удельная теплота сгорания топлива qг = 4,64⋅107 Дж/кг;
окружающее пространство - открытое (вид 4).
Определяем эффективный энергозапас ТВС Е. Так как сг > сст, следовательно,
|
Е = 2Мгqгсст/сг = 2⋅8000⋅4,64⋅107⋅0,077/0,14 = 4,1⋅1011 Дж. |
Исходя из классификации веществ, определяем, что пропан относится к классу 2 опасности (чувствительные вещества). Геометрические характеристики окружающего пространства относятся к виду 4 (открытое пространство). По табл. 1 определяем ожидаемый режим взрывного превращения облака ТВС - дефлаграция с диапазоном видимой скорости фронта пламени от 150 до 200 м/с. Для проверки рассчитываем скорость фронта пламени по соотношению (3):
|
Vг = k1Mг1/6 = 43⋅80001/6 = 192 м/с. |
Полученная величина меньше максимальной скорости диапазона данного взрывного превращения.
Для заданного расстояния r = 100 м рассчитываем безразмерное расстояние Rx:
|
Rx = r/(E/P0)1/3 = 100/(4,1⋅1011/101324)1/3 = 0,63. |
Рассчитываем параметры взрыва при скорости горения 200 м/с. Для вычисленного безразмерного расстояния по соотношениям (10) и (11) определяем величины Рx1 и Ix1:
|
Рx1 = (Vг2/С02)((σ - 1/σ)(0,83/Rx - 0,14/Rx2) = 2002/3402⋅6/7(0,83/0,63 - 0,14/0,632) = 29; |
|
Ix1 = (Vг/С0)((σ - 1/σ)(1 - 0,4(Vг/С0)((σ - 1)/σ))(0,06/Rx + 0,01/Rx2 - 0,0025/Rx3) = (200/340)((7 - 1/7)(1 - 0,4(200/340)((7 - 1/7))(0,06/0,63 + 0,01/0,632 - 0,0025/0,633) = 0,0427. |
Так как ТВС - газовая, величины Рх2, Ix2 рассчитываем по соотношениям (6) и (7):
|
Px2 = exp(-1,124 - 1,66ln(Rx) + 0,26(ln(Rx))2) = 0,74 ± 10 %; |
|
Ix2 = exp(-3,4217 - 0,898ln(Rx) - 0,0096(ln(Rx))2) = 0,049 ± 15 %. |
Согласно (12) определяем окончательные значения Рх, Ix:
|
Рх = min(Рх1, Рх2) = min(0,29, 0,74) = 0,29; |
|
Iх = min(Iх1, Iх2) = min(0,0427, 0,049) = 0,0427. |
Из найденных безразмерных величин Рх и Ix вычисляем согласно (13) и (14) искомые величины избыточного давления и импульса фазы сжатия в воздушной ударной волне на расстоянии 100 м от места аварии при скорости горения 200 м/с:
|
ΔP = 2,8⋅104 Па; |
|
I = Ix(P0)2/3E1/3/C0 = 2,04⋅104 Па⋅с. |
Используя полученные значения ΔР и Ix, находим:
|
Pr1 = 6,06, Pr2 = 4,47, Pr3 = -1,93, Pr4 = 3,06, Pr5 = 2,78 |
(при расчете Pr3 предполагается, что масса человека 80 кг).
Это согласно табл. 2 означает: 86 % вероятность повреждений и 30 % вероятность разрушений промышленных зданий, а также 2,5 % вероятность разрыва барабанных перепонок у людей и 1 % вероятность отброса людей волной давления. Вероятности остальных критериев поражения близки к нулю.
На рис. 5-1 приведены зоны распространения ударной волны при взрыве ТВС.
Пример 2
В результате внезапного раскрытия обратного клапана в пространство, загроможденное подводящими трубопроводами, выброшено 100 кг этилена. Рядом с загазованным объектом на расстоянии 150 м находится помещение цеха. Концентрация этилена в облаке 80 г/м3. Требуется определить степень поражения здания цеха и расположенного в нем персонала при взрыве облака ТВС.
Решение:
сформируем исходные данные для дальнейших расчетов:
горючий газ - этилен;
агрегатное состояние смеси - газовое;
концентрация горючего в смеси сг = 0,08 кг/м3;
стехиометрическая концентрация этилена с воздухом сст = 0,09 кг/м3;
масса топлива, содержащегося в облаке, Мг = 100 кг;
удельная теплота сгорания горючего газа qг =4,6⋅107 Дж/кг;
окружающее пространство - загроможденное.
Находим эффективный энергозапас горючей смеси Е. Так как сг < сст, следовательно,
|
E = Mгqг⋅2 = 100×4,6⋅107⋅2 = 9,2⋅109 Дж. |
Исходя из классификации веществ, определяем, что этилен относится к классу 2 опасности (чувствительные вещества). Геометрические характеристики окружающего пространства относятся к виду 1 (загроможденное пространство). По экспертной табл. 1 определяем диапазон ожидаемого режима взрывного превращения облака топливно-воздушной смеси - первый, что соответствует детонации.
Для заданного расстояния 150 м определяем безразмерное параметрическое расстояние λпар:
|
λпар = r/E1/3 = 100⋅150/(9,2⋅109)1/3 = 7,16. |
По соотношениям для падающей волны (15) - (20) находим: амплитуда фазы давления:
|
ΔP+/P0 = 0,064 или ΔP+ = 6,5⋅103 Па при Р0 = 101325 Па; |
амплитуда фазы разрежения:
|
ΔP-/P0 = 0,02 или ΔP- = 2⋅103 Па при Р0 = 101325 Па; |
длительность фазы сжатия:
|
τ+ = 0,0509 с; |
длительность фазы разрежения:
|
τ- = 0,127 с; |
импульсы фаз сжатия и разрежения:
|
I+ ≈ I- = 126,4 Па⋅с. |
Форма падающей волны с описанием фаз сжатия и разрежения в наиболее опасном случае детонации газовой смеси может быть описана соотношением:
|
ΔP(t) = 6,5⋅103(sin(π(t - 0,0509)/0,1273)/sin(-π50,9/0,1273))exp(-0,6t/0,509). |
Используя полученные значения ΔР+ и I+, по формулам раздела V имеем:
|
Pr1 = 2,69; Pr2 = 1,69; Pr3 = -11,67; Pr4 = 0,76; Pr5 = -13,21 |
(при расчете Рr3 предполагается, что масса человека 80 кг).
Это согласно табл. 2 означает 1 % вероятность разрушений производственных зданий. Вероятности остальных критериев поражения близки к нулю.
По соотношениям для отраженной волны (23) - (28) находим: амплитуда отраженной волны давления
|
ΔPr+/P0 = 0,14 или Pr+ = 1,4⋅104 Па при Р0 = 101325 Па; |
амплитуда отраженной волны разрежения
|
ΔPr-/P0 = 0,174 или Pr- = 1,74⋅104 Па при Р0 = 101325 Па; |
длительность отраженной волны давления
|
τr+ = 0,0534 с; |
длительность отраженной волны разрежения
|
τr- = 0,1906 с; |
импульсы отраженных волн давления и разрежения:
|
Ir+ = 308 Па⋅с; |
|
Ir- = 284,7 Па⋅с; |
Форма отраженной волны при взаимодействии со стенкой
|
ΔPr(t) = 1,4⋅104(sin(π(t - 0,0534)/0,1906)/sin(-π0,0534/0,1906))ехр(-0,8906t/0,0534). |
Используя полученные значения ΔР+ и I+, по формулам раздела V имеем:
|
Pr1 = 4,49; Pr2 = 3,28; Pr3 = -7,96; Pr4 = 1,95; Pr5 = -9,35. |
Это согласно табл. 2 означает вероятности: 30 % повреждений и 4 % разрушений производственных зданий. Вероятности остальных критериев поражения близки к нулю.
На рис. 5-2 приведены зоны распространения ударной волны при взрыве ТВС.
Рис. 5-2. Зоны распространения ударной волны при взрыве ТВС
Пример 3
В резервуаре вместимостью 2000 м3 находится пропан в газовой фазе при температуре окружающей среды 24,5 °С и давлении 2 атм. Резервуар расположен на товарно-сырьевой базе в равнинной местности. Происходит разрушение емкости и выбрасывается все опасное вещество. Метеоусловия: скорость ветра 3,2 м/с, класс устойчивости атмосферы - устойчивая стратификация. Требуется определить зоны поражения ударной волной при взрыве облака ТВС.
Рис. 5-3. Сечение зоны, ограниченной НКПВ, 0,5 НКПВ и
ВКПВ
плоскостью z = 0 (в направлении по ветру) при
выбросе пропана
Рис. 5-4. Зоны распространения ударной волны при взрыве ТВС
Таблица № 5-1
|
№ п/п |
Наименование изолинии |
Радиус изолинии, м |
Цвет изолинии |
|||
|
1 |
Взрыв ТВС: Пропан М = 622,00 кг, поражение избыточным давлением 5 кПа |
732,44 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
2 |
Взрыв ТВС: Пропан М = 622,00 кг, поражение избыточным давлением 14 кПа |
294,09 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
3 |
Взрыв ТВС: Пропан М = 622,00 кг, поражение избыточным давлением 28 кПа |
184,64 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
4 |
Взрыв ТВС: Пропан М = 622,00 кг, поражение избыточным давлением 70 кПа |
93,64 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||