Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Техносферная безопасность» В. В. Куликов И. И. Гаврилин ОГНЕННЫЙ ШАР Екатеринбург УрГУПС 2014 0 Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Техносферная безопасность» В. В. Куликов И. И. Гаврилин ОГНЕННЫЙ ШАР Методические рекомендации к проведению практических работ для студентов всех специальностей по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» всех форм обучения Екатеринбург УрГУПС 2015 1 УДК 629.039.58 К89 Куликов, В. В. К89 Огненный шар : метод. рекомендации / В. В. Куликов, И. И. Гаврилин. – Екатеринбург : УрГУПС, 2015. – 24 с. Методические рекомендации «Огненный шар» по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» разработаны для студентов всех форм обучения. Данное пособие содержит теоретический и практический материал для аналитических расчетов основных параметров огненного шара. В основу методических рекомендаций взяты нормативные документы Российской Федерации, касающиеся пожарной безопасности и обеспечения безопасности жизнедеятельности. УДК 629.039.58 Издано по решению редакционно-издательского совета университета Авторы: В. В. Куликов, доцент кафедры «Техносферная безопасность», канд. пед. наук, УрГУПС И. И. Гаврилин, зав. кафедрой «Техносферная безопасность», канд. биол. наук, УрГУПС Рецензенты: А. Б. Русинов, профессор, д-р техн. наук, профессор кафедры «Пожарная безопасность», УрФУ Н. П. Попова, профессор кафедры «Техносферная безопасность», УрГУПС ________________________________ Учебное издание Куликов Владимир Викторович Гаврилин Игорь Игоревич ОГНЕННЫЙ ШАР Редктор С. И. Семухина Подписано в печать 19.10.2015. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 65 экз. Заказ 124. УрГУПС 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66 ________________________________________ © Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2015 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ......................................................................................................... 4 Огненный шар................................................................................................ 7 Воздействие огненного шара на человека .................................................. 9 Методика расчета интенсивности теплового излучения и времени существования огненного шара .............................................. 12 Расчет основных параметров огненного шара при взрыве цистерны заправочной станции .................................................... 13 Задачи для самостоятельного выполнения ............................................... 14 Программы для расчета огненного шара .................................................. 18 Программа «Оценка риска» ....................................................................... 19 Библиографический список........................................................................ 24 3 ВВЕДЕНИЕ В технологических процессах, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой, получением, хранением и применением горючих газов (ГГ) и легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), всегда имеется опасность образования взрывоопасных газо- и паровоздушных смесей. Взрывоопасную среду могут образовать смеси веществ (газов, паров, пылей) с воздухом и другими окислителями (кислород, озон. хлор, окислы азота и др.) и вещества, склонные к взрывному превращению (ацетилен, озон, гидразин и др.). Причинами взрывов наиболее часто является нарушение правил безопасной эксплуатации оборудования, утечки газов через неплотности в соединениях, перегрев аппаратов, чрезмерное повышение давления, отсутствие надлежащего контроля за технологическим процессом, разрыв или поломка деталей оборудования и др. Источником инициирования взрыва являются: – открытое пламя, горящие и раскаленные тела; – электрические разряды; – тепловые проявления химических реакций и механических воздействий; – искры от удара и трения: – ударные волны; – электромагнитные и другие излучения. Взрыв – быстропротекающий физический или физико-химический процесс, проходящий со значительным выделением энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени и приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду вследствие высокоскоростного расширения продуктов взрыва. Продукты взрыва обычно являются газами с высокими давлением и температурой, которые, расширяясь, способны совершать механическую работу и вызывать разрушения других объектов. В продуктах взрыва помимо газов могут содержаться и твёрдые высокодисперсные частицы. Разрушительное действие взрыва вызвано высоким давлением и образованием ударной волны. Взрывы газовых емкостей с последующим горением в атмосфере в основе своей содержат те же причины, которые описаны выше и характерны для физических взрывов. Основное различие заключается в образовании в данном случае огненного шара, размер которого зависит от количества выброшенного в атмосферу газообразного горючего. Это количество зависит, в свою очередь, от физического состояния, в котором находится газ в емкости. При содержании горючего в газообразном состоянии его количество получится намного меньше, чем в случае хранения в той же емкости в жидком виде. Параметры взрыва, обуславливающие его последствия, в основном определяются характером распределения энергии в области взрыва и ее распределением по мере того, как взрывная волна распространяется от источника взрыва. 4 Взрывы с образованием огненных шаров происходят при больших массах горючей жидкости, высоких значениях энергии перегрева и внезапном разрушении сосудов, когда мгновенно образуется огромная масса паров. Это часто происходит при огневом или другом интенсивном нагреве сосудов со сжиженными углеводородными газами и ЛВЖ. Поэтому локальные пожары или взрывы с последующим возникновением пожаров на складах сжиженных газов или технологических установках всегда представляют опасность масштабного развития аварий, особенно при больших плотностях энергоносителей на производственных площадях. Так, при катастрофе на хранилище сжиженных углеводородных газов (далее СУГ) в пригороде Мехико Сан-Хуанико (1984 г.) было зарегистрировано девять крупных следовавших один за другим взрывов резервуаров. При этом возникали огненные шары диаметром от 600 до 200 м со временем их существования от 90 до 30 с. Резервуарный парк размером 100 х 100 м состоял из 6 сферических и 48 цилиндрических горизонтальных емкостей для хранения 16 000 м3 (8000 т) СУГ. На начало аварии энергонасыщенность резервуарного парка составляла более 600 кг СУГ на 1 м2 площади склада. В результате утечки больших количеств СУГ из трубопровода или цилиндрического резервуара из сектора, имевшего обваловку высотой 1 м, СУГ вытекал за территорию хранилища. Образовавшееся при этом облако паров высотой более 2 м воспламенилось от пламени факельного устройства на крыше отделения наполнения и хранения баллонов. Воспламенившись, частично ограниченное облако паров СУГ сдетонировало. Самыми мощными при аварии были взрывы резервуаров с перегретыми жидкостями, которые продолжались в течение 1 ч 15 мин (с 5 ч 46 мин до 7 ч 01 мин); произошло большое число мелких взрывов, которые продолжались 6 ч. При таком характере развития событий прибывшие в 6 ч 20 мин пожарные и воинские соединения могли разместиться только на расстоянии 1–1,5 км от эпицентра взрыва и пытались предотвратить лишь распространение пожара. Авария была ликвидирована только около 20 ч, т. е. спустя 14 ч с момента их прибытия на место. В локализации аварии приняли участие более 20 000 человек из воинских и пожарных подразделений. При аварии погибло 500 человек, 7000 серьезно пострадали; из района аварии были эвакуированы примерно 200000 человек. В жилых кварталах разрушено 400 и серьезно пострадало 300 жилых домов; в радиусе 1 км огнем уничтожена вся растительность. Из результатов расследования следует, что взрывы резервуаров происходили последовательно в течение 1 ч 15 мин (первый крупный взрыв произошел в 5 ч 46 мии, а последний в 7 ч 01 мин). Наибольшие разрушения вызваны, повидимому, взрывами больших сферических резервуаров (фрагменты четырех из шести были разбросаны на расстояния до 400 м). При этом образовывались и огненные шары больших размеров. При взрывах цилиндрических резервуаров малых объемов соответственно возникали огненные шары меньших размеров. Установить точную количественную зависимость размеров огненных шаров от массы горючих веществ при данной весьма сложной аварии не представляется 5 возможным, однако общий наблюдаемый уровень разрушений с достаточной достоверностью свидетельствует о том, что авария развивалась по модели огненного шара. При авариях такого типа уровень опасности должен характеризоваться (наряду с ударными волнами) тепловым воздействием на объекты от огненных шаров и распространяющегося по газовой смеси пламени в наземных слоях атмосферы. Например, авария в Сан-Карлосе сопровождалась образованием огненного шара, который оценивается радиусом R = 27,5 м. От теплового воздействия мгновенно умерли люди, оказавшиеся в зоне огненного шара, а находящиеся на расстояниях более 1,5 диаметров от него получили тяжелые ожоги. Общая площадь поражения составила 400×80 м (32–103 м2). При аварии в Гуд-Хопе (США, 1979 г.) вследствие разрушения резервуара, содержащего 100 т жидкого бутана, при температуре окружающей среды 26 °С произошел взрыв с образованием огненного шара радиусом R = 127 м (по наблюдению журналистов огненный шар имел радиус R = 120–150 м и продолжительность горения не менее 60 с). Исследования последствий некоторых других катастроф также подтверждают высокую достоверность найденных зависимостей по определению уровня опасности взрыва емкостей с перегретыми жидкостями. Так, в июле 1979 г. произошел взрыв автоцистерны СУГ вместимостью 120 м3 в Кресент-Сити (штат Иллинойс, США). Столб, соединяющий огненный шар с землей, был образован пылью, всасывающейся восходящим потоком горячего воздуха. Площадь поверхности земли, охваченной пламенем, была близка к площади круга с радиусом, несколько превышающим радиус огненного шара. Для количественной оценки размеры наблюдаемого огненного шара диаметром 180 м сопоставляли с рассчитанными по его зависимости от массы горючего вещества, равной 68 т. По теоретической зависимости кубического корня расчетный диаметр огненного шара составил 280 м. Близкими к теоретическим оказались размеры огненного шара, рассчитанные по теоретическим моделям, равным 224 м. 6 ОГНЕННЫЙ ШАР В соответствии с ГОСТ Р 12.3.047-98 «Огненный шар» (далее ОШ) это крупномасштабное диффузионное пламя сгорающей массы топлива или парового облака, поднимающееся над поверхностью земли. Крупномасштабное диффузионное пламя сгорающей массы топлива или парового облака, поднимающееся над поверхностью земли. Также можно сказать, что огненный шар – это крупномасштабное диффузионное горение парогазовоздушного облака, реализуемое при разгерметизации резервуара с перегретой горючей жидкостью или газом под давлением, а также с сжиженными газами. Высококонцентрированное облако паров легковоспламеняющейся жидкости (далее ЛВЖ) или газа, смешанного с воздухом, не способное поэтому объемно детонировать, начинает гореть вокруг своей внешней оболочки, образуя огненный шар. Такие огненные шары крайне опасны. Если они вызваны горением углеводородов, то светятся и излучают тепло, что может причинить смертельные ожоги наблюдателям и зажечь дерево, бумагу или привести к воспламенению пара других ЛВЖ. Поднимаясь, огненный шар образует грибовидное облако, ножка которого – это сильное восходящее конвективное течение. Такое течение может всасывать отдельные предметы, зажигать их и разбрасывать горящие предметы на большие площади. Примером модели огненного шара, предполагающей однородность параметров газа по объему облака, может рассматриваться первоначально неподвижный сферический объем газообразного топлива, который после зажигания начинает гореть в диффузионном режиме на границе с окружающей атмосферой, всплывая за счет действующей на нагретый газ выталкивающей силы. Считается, что скорость турбулентного горения определяется скоростью смешения топлива с воздухом. Поскольку в процессе горения объем нагретых продуктов значительно превосходит собственный объем топлива (например, при горении стехиометрической смеси метана с воздухом объем продуктов в 83 раза превышает начальный объем горючего), огненный шар предполагается состоящим из нагретых продуктов, а исходное количество топлива используется лишь для определения момента окончания горения. На всем протяжении времени жизни огненный шар считается сферическим объемом нагретого газа с изменяющимися во времени радиусом, высотой и скоростью подъема, но с постоянными термодинамическими параметрами (абсолютной температурой, плотностью и составом продуктов, соответствующим горению топлива в воздухе при заданном эквивалентном отношении, которое не обязательно должно быть стехиометрическим, т. е. равным единице). Для огненного шара, движущегося в автомодельном режиме, записываются законы сохранения массы и вертикального импульса: скорость изменения объема огненного шара считается пропорциональной мгновенной скорости подъема (т. е. используется гипотеза о вовлечении), тогда как скорость изменения 7 вертикального импульса шара приравнивается действующей на облако выталкивающей силе (при этом не учитываются силы сопротивления и эффекты присоединенной массы). Огненные шары возникают в момент воспламенения парогазовых облаков, еще не достигших стехиометрической концентрации во всем своем объеме, которые образуются в результате полного разрушения резервуаров, содержащих перегретые жидкости и газы под давлением. Объем и форма первоначально образующихся облаков существенно зависят от характера разрушения сосудов. При мгновенном полном разрушении сосуда облако имеет сферическую форму. Образование трещин в оболочке обуславливает строгую направленность струи газопарожидкостной среды и придает облаку плоскую или вытянутую форму. После окончательного формирования огненного шара он отрывается от земли и подпитывается воздухом за счет конвективных сил, что увеличивает его массу. После достижения стехиометрического состава смеси вовлекаемый воздух охлаждает газы и приводит в дальнейшем к полному выгоранию горючих газов или паров. Температура огненных шаров углеводородов может превышать 2000 °С. Образование и горение огненного шара при выбросе и зажигании топлива в атмосфере – весьма сложный процесс, включающий нестационарное развитие горючего облака, его турбулентное смешение с окислителем, приводящее к возникновению горючей смеси, зажигание и распространение пламени по частично перемешанному газу, диффузионное горение топлива в переобогащенной смеси. В процессе образования и горения выброса важную роль играет начальный импульс газа, созданный источником, а после возгорания топлива силы плавучести и процессы радиационного теплопереноса. Продолжительность горения и размеры огненных шаров определяются общей массой горючего в емкости в момент аварии. Аварии такого типа наиболее часты на железнодорожных цистернах и хранилищах сжиженных газов. Отдельные огненные шары охватывают поверхность земли радиусом до 100 м (взрыв резервуара 22 августа 2009 года около 20:30 по местному времени взорвалась линейная производственно-диспетчерская станции «Конда» (ОАО «Сибнефтепровод») с воспламенением горючих материалов в радиусе 350 м. Такие аварии могут вызвать катастрофические последствия, так как от теплового излучения огненных шаров возможно воспламенение других объектов. Кроме того, образование огненных шаров часто сопровождается мощной ударной волной сжатого газа (адиабатическое расширение). Взрывы с образованием огненных шаров происходят при больших массах горючей жидкости, высоких значениях энергии перегрева и внезапном разрушении сосудов, когда мгновенно образуется огромная масса паров. Это часто происходит при огневом или другом интенсивном нагреве сосудов со сжиженными углеводородными газами и ГЖ. Поэтому локальные пожары или взрывы с последующим возникновением пожаров на складах ГЖ и сжиженных газов или технологических установках всегда представляют опасность масштабного 8 развития аварий, особенно при больших плотностях энергоносителей на производственных площадях и железнодорожных путях [5]. Развитие огненного шара во времени включает четыре основные стадии [2]: 1. От потери герметичности емкости до момента воспламенения. 2. От момента воспламенения до момента вытягивания. 3. От момента вытягивания до полного образования. 4. От полного образования до прекращения существования. Время жизни огненного шара определяется с учетом процессов, протекающих при его возникновении и развитии. В основе оценки опасности огненных шаров как источников нагрева объектов, попадающих в зону интенсивного излучения, лежат закономерности переноса от них тепловой энергии. При оценке излучающей способности огненных шаров обычно предполагалось, что они представляют собой абсолютно черное тело. Однако в действительности они имеют весьма низкую излучающую способность. Например, излучение водородного огненного шара невелико, и объекты, находящиеся вне его радиуса, практически не испытывают теплового поражения; напротив, объекты в радиусе огненного шара подвергаются интенсивному тепловому облучению. Однако излучающая способность огненных шаров, возникших при взрыве перегретых горючих жидкостей, меньше излучательной способности горящих различных нефтепродуктов. ВОЗДЕЙСТВИЕ ОГНЕННОГО ШАРА НА ЧЕЛОВЕКА При нахождении вблизи людей возможны ожоги различной степени. В решении проблемы прогнозирования опасности воздействия излучения ОШ на человека наиболее важным аспектом является обоснование критериев теплового поражения. В медицине количество физических, биологических, химических поражающих воздействий, представляющих опасность для жизнедеятельности человека, условно называют «дозой». Следствием воздействия опасных факторов на человека могут быть ожоги и отравления различной степени, шок, потеря сознания, летальный исход, условно называемые «эффектом». Эффект, зависящий от множества трудноформализуемых объективных и субъективных факторов, является случайной величиной. Основная задача математической статистки в медицине состоит в установлении количественных соотношений между дозой и эффектом. Установление критической дозы, вызывающей эффект определенной тяжести, проводится в экспериментах с варьированием количества дозы. Общепринятыми медицинскими критериями эффекта по глубине поражения являются ожоги I, II, IIIA, IIIБ, IV степени. Во многих экспериментальных исследованиях термических ожогов в качестве критерия возникновения ожога принимается математическое ожидание порогового значения дозы, вызывающей ожоги II степени. 9 Предельно допустимые дозы теплового излучения при воздействии огненного шара на человека представлены в табл. 1. Таблица 1 Предельно допустимая интенсивность теплового излучения при воздействии огненного шара на человека Степень поражения, i Интенсивность теплового излучения, q, Дж/м2 Ожог 1-й степени 1,2·× 105 Ожог 2-й степени 2,2·× 105 Ожог 3-й степени 3,2·× 105 Развитие огненного шара может происходить по двум сценариям. По первому сценарию зажигание топлива, частично перемешанного с воздухом, происходит на начальной стадии аварийного выброса. При этом богатая смесь будет гореть в диффузионном режиме. По второму – зажигание происходит с задержкой, при этом значительная часть топлива перемешивается с воздухом, продукты горения и вовлекаемого воздуха интенсивно расширяются и объем горящего облака значительно превосходит начальный объем горючего газа. Поэтому последний сценарий является наиболее опасным по интенсивности теплового воздействия на окружающие объекты. Практически во всех теоретических моделях оценка интегральных характеристик ОШ проводится по тепловому балансу между химической энергией топлива и энтальпией высокотемпературных продуктов горения стехиометрической газовоздушной смеси. Разработка мероприятий по обеспечению пожарной безопасности таких объектов в соответствии с действующим законодательством должна базироваться на детальной оценке их пожарной опасности. Методы оценки риска поражения по современным представлениям должны основываться на количественной оценке как самих поражающих факторов, так и степени их воздействия на поражаемые объекты. Следует отметить, что оценка рисков, сопутствующих возможным гипотетическим авариям, предполагает проведение анализа достаточно большого количества сценариев развития аварий. Их число может измеряться десятками и сотнями. В настоящее время для оценки и прогнозирования теплового поражения в ГОСТовских методах применяются эмпирические формулы для оценки интегральных характеристик горения ОШ, а в качестве критерия поражения принята вероятность только летального исхода. Однако в реальных аварийных ситуациях объем ОШ и, соответственно, интенсивность излучения изменяются в несколько раз, кроме того, по мнению медиков, для организации помощи нужна информация не только о количестве пострадавших, но и о их степени поражения. Эффективность этой помощи в условиях острого дефицита времени зависит от скорости обработки и получения информация по оценке количества пострадавших различной степени тяжести. Для прогнозирования опасности теп10 лового поражения необходимы данные по корреляционным отношениям между различными термодинамическими и медицинскими критериями. На основании анализа многочисленных реальных аварий с выбросом и зажиганием углеводородных топлив, описанных в известных монографиях Маршалла, Бейкера, Бесчастного, условия и допущения образования и горения ОШ представляют следующим образом: – ОШ представляет собой большой объем (более 1 т) сгорающей массы топлива или парового облака, поднимающегося с поверхности земли; – появлению ОШ предшествует полное разрушение (разгерметизация) технологического оборудования химических производств со сжиженным газом, выброс парокапельной смеси в открытое пространство, частичное смешение с окружающим воздухом за счет турбулентной энергии вскипающей жидкости, зажигание от постороннего источника. Во всех эмпирических и теоретических моделях предполагается, что вся масса топлива сгорает с кислородом воздуха в стехиометрическом соотношении. При этом температура внутри ОШ поднимается от начальной до температуры продуктов горения. Распределение температуры по сечению ОШ принимается практически равномерным; воспламенение облака, содержащего горючий газ, в ряде случаев переходит во взрыв. Одна из основных причин – наличие ограниченного пространства (здания, сооружений и т. д.). Закономерности перехода горения во взрыв до конца не изучены. Поэтому специалистами государственной противопожарной службы, изучавшими на основе статистических данных это явление, разработана единая методика алгоритма расчета основных параметров огненного шара, используемая в ГОСТ Р 12.3.047-98. 11 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ВРЕМЕНИ СУЩЕСТВОВАНИЯ ОГНЕННОГО ШАРА Расчет интенсивности теплового излучения огненного шара q, кВт/м2 проводят по формуле q = E f × Fq × τ , (1) где: Ef – среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени, кВт/м2, определяют на основе имеющихся экспериментальных данных. Допускается принимать Ef равным 450 кВт/м2; Fq – угловой коэффициент облученности; τ – коэффициент пропускания атмосферы. Угловой коэффициент облученности Fq рассчитывают по формуле: Fq = [ H / Ds + 0,5 4 × (H / Ds + 0,5) + (r / Ds ) 2 ] 2 1, 5 (2) , где: Н – высота центра огненного шар», м; Ds – эффективный диаметр огненного шара, м; r – расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром огненного шара, м. Эффективный диаметр огненного шара Ds рассчитывают по формуле Ds = 5,33 × m 0,327 , где: m – масса горючего вещества, кг. (3) Величина Н определяется в ходе специальных исследований. Допускается принимать Н = Ds/2 (предполагается, что облако касается поверхности земли). Время существования огненного шара ts, c, определяется по формуле t s = 0,92 × m 0,303 . (4) Коэффициент пропускания атмосферы τ рассчитывают по формуле [ ( )] τ = exp − 7,0 × 10 − 4 r 2 + H 2 − 0,5 × Ds . (5) Доза теплового излучения Q, Дж/м2, рассчитывается по формуле Q = q × ts . 12 (6) РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОГНЕННОГО ШАРА ПРИ ВЗРЫВЕ ЦИСТЕРНЫ ЗАПРАВОЧНОЙ СТАНЦИИ Для проведения расчета примем исходные данные: объем цистерны составляет 5 м3, цистерна содержит бензин марки АИ-92. Цистерна не оснащена предохранительными клапанами и огнезащитными дыхательными устройствами. Питание ламп освещения осуществляется по воздушной линии 220 В. Расчет проводится по ГОСТ Р-12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Приложение Д «Метод расчета интенсивности теплового излучения и времени существования огненного шара». Дано: объем резервуара V = 5 м3; плотность жидкой фазы ρ = 730 кг/м3; степень заполнения резервуара рассмотрим для трех случаев α1 = 0.1, α2 = 0.5, α3 = 0.9; среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени Ef = 450 кВт/м3; расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром огненного шара r = 35 м (от резервуара до здания). Результаты расчета сведем в табл. 2, а графическое изображение на рис. 1, в основе которого схема расположения земельного участка на плане. Таблица 2 Результаты расчета огненного шара Ед. из. α1 Масса горючего в огненном шаре кг 365 Эффективный диаметр огненного шара м 36,69 Высота центра огненного шара м 18,35 Угловой коэффициент облученности 0,25 Коэффициент пропускания атмосферы 1,00 3 Интенсивность теплового излучения кВт/м 42,0 Время существования огненного шара с 5 α2 1825 62,11 31,05 0,25 1,00 73,57 9 α3 3285 75,27 37,64 0,25 1,00 83,07 11 Рис. 1. Схема радиусов огненного шара в зависимости от степени заполнения резервуара 13 ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ Задача № 1 Определить эффективный диаметр (Dош) и время существования огненного шара (tош), интенсивность теплового излучения (q), степень поражения человека (i) на расстоянии (r) от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром огненного шара при полном разрушении емкости с ЛВЖ или ГГ объемом (V) и расстояние, на котором человек получит ожог 1, 2 и 3-й степени (в соответствии с табл. 3). Исходные данные для решения задачи принять из табл. 3. Плотность жидкой фазы (ρ) в соответствии с веществом. Задача № 2 Исходя из условий задачи №1, определить расстояния, при которых люди получат ожоги первой, второй и третьей степени. Таблица 3 Исходные данные для решения задачи №, Объем резервуавар. ра, V, м3 Вещество Степень заполнения емкости, α 1 30 Бутан 0,5 2 40 Гептан 0,6 3 50 Глицерин 0,7 4 60 Изобутан 0,8 5 30 Изобутилен 0,9 6 40 Изопропиловый спирт 0,3 7 50 Метан 0,4 8 60 Метиловый спирт 0,5 9 30 Пропан 0,6 14 Расстояние от облучаемого объекта до центра ОШ, r, м 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 10 40 Пропилен 11 50 Сероводород 0,8 12 60 Сероуглерод 0,9 13 30 Толуол 0,3 14 40 Формальдегид 0,4 15 50 Хлорбензол 0,5 16 60 Этан 0,6 17 30 Этилацетат 0,7 18 40 Этилбензол 0,8 19 50 Этилен 0,9 20 60 Этиловый спирт 0,5 15 0,7 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 1–5 2 – 10 3 – 15 Пример расчета Дано: Решение: V = 60, м3 вещество – бутан ρ = 580 кг/м3 α = 0,7 r1 = 5, м r2 = 10, м r3 = 15, м 1. Определяем массу горючего вещества, участвующего в образовании огненного шара: m = V×α× ρ = = 60×0.7×580 = 24360, кг. 2. Рассчитаем эффективный диаметр огненного шара: Dош = 5,33 × m 0,327 = = 5,33×243600,327=144,93, м. 3. Принимаем H = Ds/2 = = 144,93 / 2 = 72,47 м. Найти: Dош – ? tош – ? q–? i r1 – ? i r2 – ? i r3 – ? 4. Время существования огненного шара ts, c, определяем по формуле t s = 0,92 × m 0,303 = 0,92 × 243600,303 = 20 , с. 5. Угловой коэффициент облученности Fq рассчитывают по формуле Fq = Fq1 = Fq 2 = Fq 2 = [ H / Ds + 0,5 [ 4 × (H / Ds + 0,5) + (r / Ds ) 2 ] 2 1, 5 72,47 / 144,93 + 0,5 ] 4 × (72,47 / 144,93 + 0,5) + (5 / 144,93) 72,47 / 144,93 + 0,5 2 [ 2 [ 2 2 1, 5 4 × (72,47 / 144,93 + 0,5) + (10 / 144,93) 72,47 / 144,93 + 0,5 ] =111,65 ] =110,60 2 1, 5 4 × (72,47 / 144,93 + 0,5) + (15 / 144,93) 16 =112,29 2 1, 5 6. Рассчитаем коэффициент пропускания атмосферы: [ ( τ = exp − 7,0 ×10 − 4 r 2 + H 2 − 0,5 × Ds [ ( = exp[− 7,0 × 10 ( 10 + 72,47 = exp[− 7,0 × 10 ( 15 + 72,47 )] )] − 0,5 × 144,93)] = 1 − 0,5 × 144,93)] = 1 τ 1 = exp − 7,0 ×10 − 4 52 + 72,47 2 − 0,5 ×144,93 = 1 τ2 τ3 −4 2 2 −4 2 2 7. Рассчитаем интенсивности теплового излучения огненного шара: q = E f × Fq × τ q1 = 450 × 112,29 × 1 = 112,29 , кВт/м3 = 112290 Вт/м3 q2 = 450 × 111,65 × 1 = 111,65 , кВт/м3 = 111650 Вт/м3 q1 = 450 × 110,60 × 1 = 110,60 , кВт/м3 = 110600 Вт/м3 Ответ: Dош = 144, 93 м tош = 20 с q1= 112290 Вт/м3 q2= 111650 Вт/м3 q3= 110600 Вт/м3 i r1 = 1 i r2 = 1 i r3 = 1 Вывод. Люди, находящиеся на указанных расстояниях от эпицентра огненного шара, получат ожоги первой степени. 17 ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ОГНЕННОГО ШАРА Программа 1 Для расчета параметров огненного шара необходимо зайти на страницу сервиса «Безопасность в техносфере», выбрать кнопку «Расчет огненного шара» (рис. 1) Рис. 1. Начальная страница сервиса «Безопасность в техносфере» При нажатии указанной кнопки переходим к странице, содержащей информацию о пользовании сервисом (рис. 2). Рис. 2. Страница помощи онлайн-сервиса «Огненный шар» На указанной странице выбираем последний пункт «перейти к вводу данных» (рис. 3). После этого на следующей странице потребуется ввести массу горючего (кг), участвующего в образовании «огненного шара» и расстояние до него. Рис. 3. Ввод исходных данных 18 После нажатия копки «Рассчитать» формируется итоговый файл отчёта result.rtf, доступный для загрузки по гиперссылке (рис. 4). Рис. 4. Окончание расчёта Фрагмент итогового документа приведён ниже, он содержит исходные данные и зависимость интенсивности теплового излучения от расстояния в виде таблицы. Исходные данные: Масса горючего вещества (кг): 254000.0 Расстояние до объекта (метры): 500.0 Время существования огненного шара (секунд): 40 Эффективный диаметр огненного шара (метры): 312 Высота центра огненного шара (метры):156 Зависимость поражающих факторов взрыва ( интенсивность и доза теплового излучения теплового излучения) от расстояния. Расстояние (м) 10 11 12 13 14 Интенсивность теплового Доза теплового излучеизлучения (кВт/м2) ния ( Дж/м2×10e5) 112.30 44.86 112.26 44.84 112.21 44.82 112.17 44.80 112.11 44.78 Программа 2 ПРОГРАММА «ОЦЕНКА РИСКА» Программа «Оценка риска» разработана на основе НПБ «Определение категорий наружных установок по пожарной опасности» (НПБ 107-97), НПБ «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности» (НПБ 105-03). Данная программа применима для расчета величин индивидуального и социального риска на наружных установках при возникновении таких поражающих факторов, как избыточное давление, развиваемое при сгорании газо19 паро- или пылевоздушных смесей, и тепловое излучение при сгорании веществ и материалов. Исходными данными для расчета значения величин поражающих факторов при указанных выше процессах являются: – характеристики и масса горючего газа (вещества), участвующего в процессе; – вероятность возникновения аварийной ситуации; – информация об объекте, содержащем технологические установки. Основными структурными элементами алгоритма расчетов являются: – определение возможных сценариев развития аварийной ситуации; – расчет значений поражающих факторов для каждого из возможных сценариев; – оценка значений индивидуального риска для персонала объекта. Исходные данные Наименование вещества: бензин Масса вещества, кг: 10000 Рассматриваемые сценарии: – образование огненного шара; – пожар пролива; – сгорание с развитием избыточного давления. Результаты расчета Площадь пролива, м2: 273,97 Время существования огненного шара, с: 15 Радиусы зон поражения при воздействии избыточного давления Степень поражения Полное разрушение зданий 50%-ное разрушение зданий Средние повреждения зданий Умеренные повреждения зданий Нижний порог повреждения человека волной давления Малые повреждения (разбита часть остекления) Избыточное давление, кПа 100 53 28 12 5 3 Радиус зоны, м 57 80 117 209 417 650 Радиусы зон поражения при воздействии теплового излучения пожаров пролива Степень поражения Без негативных последствий в течение длительного времени Безопасно для человека в брезентовой одежде Непереносимая боль через 20-30 с Ожог 1-й степени через 15-20 с 20 Интенсивность теплового излучения, кВт/м2 Радиус зоны, м 1,4 37 4,2 24 7,0 0 Ожог 2-й степени через 30-40 с Воспламенение хлопка-волокна через 15 мин Непереносимая боль через 3-5 с Ожог 1-й степени через 6-8 с Ожог 2-й степени через 12-16 с Воспламенение древесины с шероховатой поверхностью (влажность 12%) при длительности облучения 15 мин Воспламенение древесины, окрашенной масляной краской по строганой поверхности; воспламенение фанеры 10,5 0 12,9 0 17,0 0 Радиусы зон поражения при воздействии «огненного шара» на человека Степень поражения Ожог 1-й степени Ожог 2-й степени Ожог 3-й степени Доза теплового изучения, кДж/м2 120 220 320 21 Радиус зоны, м 227 177 149 22 23 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. ГОСТ 12.3.047-98 Пожарная безопасность технологических процессов. 2. НПБ 105-03 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности» (утв. приказом МЧС РФ от 18 июня 2003 г. N 314). 3. СП 12.13130.2009 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности». 4. Маршалл В. Основные опасности химических производств: пер. с англ. – М.: Мир,1989. – 672 с. 5. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. – М.: Химия, 1991. – 432с. 6. Хайруллин И. Р. Прогнозирование опасности поражения человека тепловым излучением огненного шара при пожарах на химических и нефтехимических предприятиях : дис. ... канд. техн. наук: 05.26.03 / Хайруллин Ирек Равилевич; [Казан. гос. технолог. ун-т]. – Казань, 2008. – 96 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/397. 24
