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4   事故后果分析

 

对一种可能发生的事故只有知道其后果时,对其危险性分析才算是完整的。后果分析是危险源危险性分析的一个主要组成部分,其目的在于定量地描述一个可能发生的重大事故对工厂、对厂内职工、对厂外居民甚至对环境造成危害的严重程度。后果分析为企业或企业主管部门提供关于重大事故后果的信息,为企业决策者和设计者提供采取何种防护措施的信息。由于事故的发生是一个概率事件,完全杜绝生产过程中的事故是不可能的,因此对事故后果的控制就成为安全工作者必须关注的一个重要课题。

泄漏事故、火灾事故、爆炸事故、中毒事故是可能造成重大恶果的生产事故,也是我们进行后果分析的重点。

 

4泄漏事故后果分析

 

火灾和因有毒气体引起的中毒事故都与物质的泄漏有着直接的联系。确定重大事故,尤其是泄漏和火灾事故时的危险区域是在确定有毒物质泄漏后的扩散范围的基础上进行的。因此,要首先从有毒、有害物质泄漏分析开始。

411 泄漏的主要设备

根据泄漏情况,可以把化工生产中容易发生泄漏的设备归纳为10类,即管道、挠性连接器、过滤器、阀门、压力容器或反应罐、泵、压缩机、储罐、加压或冷冻气体容器和火炬燃烧器或放散管。

1)管道

包括直管、弯管、法兰管、接头几部分,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:

*管道泄漏,裂口尺寸取管径的20-100%

*法兰泄漏,裂口尺寸取管径的20%

*接头泄漏,裂口尺寸取管径的20-100%

2)挠性连接器

包括软管、波纹管、铰接臂等生产挠性变形的连接部件,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:

*连接器本体破裂泄漏,裂口尺寸取管径的20-100%

*接头泄漏,裂口尺寸取管径的20%

*连接装置损坏而泄漏,裂口尺寸取管径的100%

3)过滤器

由过滤器本体、管道、滤网等组成,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:

*过滤器本体泄漏,裂口尺寸取管径的20-100%

*管道泄漏,与过滤器连接的管道发生的泄漏,裂口尺寸取管径20%

4)阀

包括化工生产中应用的各种阀门,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:

*阀壳体泄漏裂口尺寸取与阀连接管道管径的20-100%

*阀盖泄漏,裂口尺寸取管径的20%

*阀杆损坏而泄漏,裂口尺寸取管径的20%

5)压力容器

包括化工生产中常用的分离、气体洗涤器、反应釜、热交换器、各种罐和容器等,其常见泄漏情况和裂口尺寸为:

*容器破裂而泄漏,裂口尺寸取容器本身尺寸;

*容器本体泄漏,裂口尺寸取与之连接的粗管道管径的100%

*孔盖泄漏,裂口尺寸取管径的20%

*管嘴断裂而泄漏,裂口尺寸取管径的100%

*仪表管路破裂而泄漏,裂口尺寸取管径的20-100%

*内部爆炸而泄漏,裂口尺寸取容器本体尺寸;

6)泵

常用的泵有离心泵与往复泵等,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:

*泵体损坏面泄漏裂口尺寸取与之连接管道的20-100%

*泵体封压盖处泄漏,裂口尺寸取管径的20%

7)压缩机

包括离心式、轴流式和往复式压缩机,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:

压缩机机壳损坏面泄漏,裂口尺寸取与之连接管道管的20-100%;

压缩机密封套泄漏,裂口尺寸取管径的20-100%;

8)储罐

露天储存危险物资的容器或压力容器,也包括与之连接的管道和辅助设备,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:

*罐体损坏面泄漏,裂口尺寸为本体尺寸;
接头泄漏,裂口尺寸为与之连接管道管径的20-100%;

9)加压或冷冻气体容器

露天或埋地放置的加压或冷冻气体容器,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:

*气体爆炸面泄漏,露天容器内部气体爆炸使容器完全破坏,裂口尺寸取本体尺寸;

*容器破裂面泄漏,裂口尺寸取本体尺寸;

*焊缝断裂面泄漏,裂口尺寸取与其连接管管径的20-100%;

*容器辅助设备泄漏、酌情确定裂口尺寸。

10)火炬燃烧器或放散管

包括燃烧装置、放散管、接通头、气体洗涤器和分离罐等,泄漏主要发生在筒体和多通接头部位,裂口尺寸取管径的20-100%。

412 泄漏的原因

从人-机系统来考虑造成各种泄漏事故的原因主要有4类:

4.1.2.1 设计失误

1)基础设计错误,如地基下沉,造成容器底部产生裂缝,或设备变形、错位等;

2)选材不当,如强度不够,耐腐蚀性差、规格不符等;

3)布置不合理,如压缩机和输出管没有弹性连接,因振动而使管道破裂;

4)选用机械不合适,如转速过高、耐温、耐压性能差等;

5)选用计测仪器不合适;

6)储罐、贮槽未加液位计,反应器(炉)未加溢流管或放散管等。

4.1.2.2 设备原因

1)加工不符合要求,或未经检验擅自采用代用材料;

2)加工质量差,特别是焊接质量差;

3)施工和安装精度不高,如泵和电机不同轴、机械设备不平衡、管道连接不严密等;

4)选用的标准定型产品质量不合格;

5)对安装的设备没有按《机械设备安装工程及验收规范》进行验收;

6)设备长期使用后未按规定检修期进行检修,或检修质量差造成泄漏;

7)计测仪表未定期校验,造成计量不准;

8)阀门损坏或开关泄漏,又未及时更换;

9)设备附件质量差,或长期使用后材料变质、腐蚀或破裂等。

4.1.2.3 管理原因

1)没有制定完善的安全操作规程;

2)对安全漠不关心,已发现的问题不及时解决;

3)没有严格执行监督检查制度;

4)指挥错误,甚至违章指挥;

5)让未经培训的工人上岗,知识不足,不能判断错误;

6)检修制度不严,没有及时检修已出现故障的设备,使设备带病运转。

4.1.2.4 人为失误

1)误操作,违反操作规程;

2)判断错误,如记错阀门位置而开错阀门;

3)擅自脱岗;

4)思想不集中;

5)发现异常现象不知如何处理。

413 泄漏后果及泄漏控制

泄漏后果与泄漏物质的相态、压力、温度、燃烧性、毒性等性质密切相关。在后果分析中考虑的泄漏物质主要有以下四种类型:

*常压液体;

*加压液化气体;

*低温液化气体;

*加压气体。

泄漏的危险物质的性质不同,其泄漏后果也不相同。

1)可燃气体泄漏后与空气混合达到燃烧界限,遇到引火源就会发生燃烧或爆炸。泄漏后发火时间的不同,泄漏后果也不相同。

*立即发火。可燃气体泄漏后立即发火,发生扩散燃烧产生喷射性火焰或形成火球,影响范围较小;

*滞后发火。可燃气体泄漏后与周围空气混合形成可燃云团,遇到引火源发生爆燃或爆炸,破坏范围较大。

2)有毒气体泄漏

有毒气体泄漏后形成云团在空气中扩散,有毒气体浓度较大的浓密云团将笼罩很大范围,影响范围大。

3)液体泄漏

一般情况下,泄漏的液体在空气中蒸发而形成气体,泄漏后果取决于液体蒸发生成的气体量。液体蒸发生成的气体量与泄漏液体种类有关。

*常温常压液体泄漏。液体泄漏后聚集在防液堤内或地势低洼处形成液池,液体表面发生缓慢蒸发;

*加压液化气体泄漏。液体在泄漏瞬间迅速气化蒸发。没来得及蒸发的液体形成液池,吸收周围热量继续蒸发;

*低温液体泄漏。液体泄漏后形成液池,吸收周围热量蒸发,液体蒸发速度低于液体泄漏速度。

无论气体泄漏还是液体泄漏,泄漏量的多少都是决定泄漏后果严重程度的主要因素,而泄漏量又与泄漏时间有关。因此,控制泄漏应该尽早地发现泄漏并且尽快地阻止泄漏。

通过人员巡回检查可以发现较严重的泄漏;利用泄漏检测仪器、气体泄漏检测系统可以发现各种泄漏。

利用停车或关闭遮断阀停止向泄漏处供应料可以控制泄漏。一般来说,与监控系统连锁的自动停车速度快;仪器报警后由人工停车速度较慢,大约需3-15分钟。

414 泄漏量计算

计算泄漏量是泄漏分析的重要内容,根据泄漏量可以进一步研究泄漏物质情况。

当发生泄漏的设备的裂口规则、裂口尺寸已知,泄漏物的热力学、物理化学性质及参数可查到时,可以根据流体力学中有关方程计算泄漏量。当裂口不规则时,采用等效尺寸代替,考虑泄漏过程中压力变化等情况时,往往采用经验公式计算泄漏量。

4141液体泄漏量

单位时间内液体泄漏量,既泄漏速度,可按流体力学的伯努力方程计算:

               (3.1)

式中:—液体泄漏速度,㎏/s;

—泄漏系数,按表3-1选取;

A—裂口面积,㎡;

—泄漏液体密度,㎏/m3

P—设备内物质压力,Pa;

Po—环境压力,Pa;

g—重力加速度,9.8m/s2

h—裂口之上液位高度,m。

3.1液体泄漏系数

雷诺数

(Re)

裂口尺寸

圆形(多边形)

三角形

长方形

>100

0.65

0.60

0.55

0.50

0.45

0.30

该式表明,常压下液体泄漏速度取决于裂口之上液位的高低;非常压下液体泄漏速度主要取决于设备内物质压力与环境压力之差。

当设备中液体是过热液体,即液体沸点低于周围环境温度时,液体经过裂口时由于压力较小而突然蒸发,蒸发接受热量使设备内剩余的液体温度降到常压沸点以下。这种场合,泄漏时直接蒸发的液体所占百分比F可按下式计算:

                          (4-1)

式中,—液体的定压比热,J/

—泄漏前液体温度,K

—液体在常压下的沸点,K;

—液体的蒸发热,J/㎏。

泄漏时直接蒸发的液体将以细小烟雾的形式形成云团,与空气相混合而吸收热量蒸发。如果空气传给液体烟雾的热量不足以使其蒸发,则烟雾将凝结成液滴降落地面,形成液池。根据经验,当F>0.2时,一般不会形成液池。

4142 气体泄漏量

气体从设备的裂口泄漏时,其泄漏速度与空气的流动状态有关,因此,首先需要判断泄漏时气体流动属于亚音速流动还是音速流动,前者称为次临界流,后者称为临界流。

当有下式成立时,气体流动属于亚音速流动:

                              (4-2)

当有下式成立时,气体流动属于音速流动:

                                      (4-3)

上述两式中的意义同前;为比热比,即定压比热定容比热之比。

                                (4-4)

气体呈亚音速流动时,泄漏速度

                     (4-5)

气体呈音速流动时,泄漏速度

               (4-6)

上诉两式中,气体泄漏系数,当裂口形状为圆形时取1.00;三角形时取0.95;长方形时取0.90;

Y-气体膨胀因子,对于亚音速流动,

            (4-7)

对于音速流动,Y=1

—泄漏液体密度,㎏/m3

R—气体常数,J/

T—气体温度,K。

随着气体泄漏设备内物质的减少而气体泄漏的流速变化时,泄漏速度的计算比较复杂,可以计算其等效泄漏速度。

4143 两相流泄漏量

在过热液体发生泄漏的场合,有时会出现液、气两相流动。均匀两相流的泄漏速度Q可按下式计算:

                       (4-8)

式中,—两相流泄漏系数;

A—裂口面积,㎡;

P—两相混合物的压力,Pa;

PC—临界压力,可取为0.55P

—两相混合物的平均密度,㎏/m3

由以下公式计算:

                       (4-9)

这里,—液体蒸发的密度,㎏/m3

*—液体密度,㎏/m3

FV—蒸发的液体占液体总量的比例,它由下式计算:

                        (4-10)

这里,—两相混合物的定压比热,J/

T—两相混合物的温度,K

—临界温度,K;

H—液体的蒸发热,J/㎏。

>1时,表明液体将全部蒸发为气体,应该按气体泄漏处理;如果很小,则可近似地按液体泄漏速度计算公式来计算。

415 泄漏后的扩散

4151 液体的扩散

1)液池蒸发

液体泄漏后沿地面一直流到低洼处或人工边界,如提坎,岸墙,形成液池。液体离开裂口后不断蒸发,当液体蒸发速度与泄漏速度相等时,液池中的液体量将维持不变。

如果泄漏的液体挥发度较低,则液池中液体蒸发量较少,不易形成气团。如果是挥发性的液体或低沸点的液体,泄漏后液体蒸发量大,大量蒸汽在液池上面形成蒸汽云。

a.液池面积

如果泄漏的液体已经达到人工边界,则液池面积即为人工边界围成的面积。如果泄漏的液体没有到达人工边界,可以假定液体以泄漏点有中心呈扁圆柱形沿光滑的地表向外扩散,这时液池半径r可按下述公式计算:

瞬时泄漏(泄漏时间不超过30秒)时,

                       (4-11)

连续泄漏(泄漏持续10分钟以上)时,

                      (4-12)

式中,m—泄漏液体量,㎏;

g—重力加速度,9.8m/s2

p—设备中液体压力,

b.蒸发量

液池内液体蒸发按其发生机理可分为闪蒸、热量蒸发、质量蒸发。过热液体泄漏后由于液体自身的热量直接地迅速蒸发,液池表面之上气流运动使液体蒸发,为质量蒸发。由于泄漏的液体物质性质不同,并非没种液体的蒸发都包含这三种蒸发,有些过热液体通过闪蒸或热量蒸发而完全气化。

*闪蒸

发生闪蒸时液体发生速度可按下式计算:

                  (4-13)

式中,FV—直接蒸发的液体占液体总量的比例;

M—泄漏的液体总量,㎏;

T—闪蒸时间,s;

*热量蒸发

如果闪蒸不完全,即<1或则发生热量蒸发,热量蒸发时液体蒸发速度

 

          (4-14)

式中,—液池面积,m2

—环境温度,K

—液体沸点,K;

H—液体蒸发热,J/㎏;

L—液池长,m;

α—热扩散系数,m2/s;

K—导热系数,J/

T—蒸发时间,s;

*-努舍尔特(Nusselt)数。

4-1列出了一些地面情况的K, α值。

4-1 地面情况的K, α值

地面情况

K(J/m K)

α(m2/s)

水泥

1.1

1.29×10-7

地面(8%水)

0.9

4.3×10-7

干涸土地

0.3

2.3×10-7

湿地

0.6

3.3×10-7

沙砾地

2.5

1.1×10-7

*质量蒸发

当地面向液体传热减少时,热量蒸发逐渐减弱;当地面传热停止时,由于液体分子的迁移作用使液体蒸发。这种场合液体的蒸发速度Qt为:

                   (4-15)

式中,α—分子扩散系数,m2/s;

—舍伍德(Sherwood)数;

A—液池面积,m2

L—液池长,m;

—液体密度,㎏/m3

(2) 射流扩散

气体泄漏时从裂口射出形成气体射流。一般情况下,泄漏的气体的压力将高于周围环境大气压力,温度低于环境温度。在进行射流计算时,应该以等价射流孔口直径来计算,等价射流的孔口直径按下式计算:

                      (4-16)

式中,—裂口直径,m;

—泄漏气体的密度,㎏/m3

—周围环境条件下气体密度,㎏/m3

如果气体泄漏瞬间便达到周围环境的温度、压力状况,即,则等价射流孔口直径等于裂口直径,。在射流轴线上距孔口X处的气体浓度为:

              (3.18)

式中,b1,b2是分布函数:

b1=50.5+48.2ρ-9.95ρ2

b2=23.0+41.0ρ

如果把上式写成X是C(x)的函数形式,则给定某浓度值C(x),可以计算出具有该浓度的点到孔口的距离X。在过射流轴上点X且垂直于射流轴线的平面内任一点处的气体浓度C(x,y)为:

C(xy)=C(x)                   (3.19)

式中,C(x)—射流轴线上距孔口X处的气体浓度;

b2—分布参数,同前

y—对象点到射流轴线的距离,m。

随着距孔口距离的增加,射流轴线上的一点的气体运动速度减少,直到等于周围的风速时为止,此后的气体运动就不在符合射流规律了。在后果分析时需要计算出射流轴线上速度等于周围风速的临界点以及该点处的气体浓度(临界浓度)。射流轴线上距孔口X处一点的速度为:

                (4-19)

式中,-泄漏气体的密度,㎏/m3

-周围环境条件下气体密度,㎏/m3

-等价射流孔口直径,m;

-分布函数,同前;

-射流初速度,等于气体泄漏时流经裂口时的速度,可按下式计算:

                       (4-20)

式中,—气体泄漏速度,㎏/s;

—气体泄漏系数;

—裂口直径,m

当临界点处的临界浓度小于允许浓度时,只需要按射流扩散分析泄漏扩散;当临界点处的临界浓度大于允许浓度时,还需要进一步研究泄漏气体此后在大气中扩散的情况。

(3)绝热扩散

闪蒸液体或加压气体瞬时释放的场合,假定泄漏物与周围环境之间没有热交换,属于绝热扩散过程。泄漏的气体(或液体闪蒸形成的蒸汽)呈半球形向外扩散。根据浓度分析情况,把半球分成两层:内层浓度均匀分布,具有50%的泄漏量;外层浓度呈高斯分布,具有另外50%的泄漏量。

绝热过程分为两个阶段,首先气团向外扩散,压力达到大气压力;然后与周围空气掺混,范围扩大,当内层扩散速度低到一定程度时,认为扩散过程结束。

a.气团扩散能

在气团扩散的第一阶段,泄漏的气体(或蒸汽)的内能的一部分用来增加动能对周围大气做功。假设该阶段为可逆绝热过程,并且等熵。

*气体泄漏的场合。根据内能变化得出扩散能计算公式如下:

E=CV(T1-T2)-P0(V2-V1)                          (4-21)

式中,CV—等容比热,J/㎏ K;

P0—环境压力,Pa

T1—气团初始温度,K;

T2—气团压力降到大气压力时的温度,K;

V1—气团初始体积,m3

V2—气团压力降到大气压力时的体积,m3

*闪蒸液体泄漏的场合。蒸发的蒸汽团扩散能按下式计算:

              (4-22)

式中  —泄漏液体初始焓,J;

—泄漏液体最终焓,J;

—初始压力,Pa

—环境压力,Pa

—初始体积,m3

—液体的沸点,K;

—液体蒸发前的熵,J/㎏K;

—液体蒸发后的熵,J/㎏K。

b.气团半径与浓度

在扩散能的推动下气团向外扩散,并与周围空气发生紊流掺混。随时间的推移气团内层半径R1和浓度C变化有如下规律:

                      (4-23)

C=                         (4-24)

式中,t—扩散时间,s;

—在标准温度、压力下气体体积,m3

—紊流扩散系数,其计算公式为:

             (4-25)

设扩散结束时扩散速度(dR/dt)为1m/s,则在扩散结束时内层半径R1和浓度可按下式计算:

                    (4-26)

                       (4-27)

外层半径与浓度。根据实验观察,气团外层半径R2可以按下式计算:

                          (4-28)

气团浓度自内层向外呈高斯分布。

4.1.5.2 气团在大气中的扩散

液体、气体泄漏后在泄漏源附近扩散,在泄源上方形成气团,气团将在大气中进一步扩散,影响广大区域。因此,气团在大气中的扩散成为重大事故后果分析的重要内容。

气团在大气中的扩散情况与气团自身性质有关。当气团密度小于空气密度时,气团将向上扩散而不会影响下面的居民;当气团密度大于空气密度时,气团将沿着地面扩散,危害很大。在后果分析中,我们仅考虑其密度接近于或大于空气密度的气团的扩散。除了气团本身性质外,气团的扩散还受大气稳定度(描述大气对情况的参数,主要取决于太阳辐射等)、风速、风向、地表粗糙度(反映地表地形、建筑物影响风流局部紊流情况的参数)等因素影响,呈现十分复杂的函数关系。

(1)高斯(Gauss)烟羽模型

该模型适用于计算浓度分布呈高斯分布的中等浓度(接近于空气密度)气羽状气团中任一点的浓度。按风速u的大小,垂直风向扩散系数δZ与大气混合层高度H0之间关系,可以选择下述三个公式之一。

a.连续泄漏,风速>1m/s,且的场合,以泄漏源为原点,风向方向为X轴的空间坐标系中一点(x,y,z)处的浓度为:

  (4-29)

式中,(x,y,z)—空间点(x,y,z)处的浓度,();

—泄漏源强,(kg/s);

u—风速,(m/s);

—下风向扩散系数,(m);

—侧风向扩散系数,(m);

*—垂直风向扩散系数,(m);

*—有效源高,(m),它等于泄漏源高度与抬升高度之合:

其中,—泄漏源高度,(m);

*—抬升高度,由抬升模型求得。

b.连续泄漏,风速u<0.5m/s,假定蒸汽围绕泄漏源在全方位呈均匀分布,此时距泄漏源r处的浓度为:

             (4-30)

式中,—距泄漏源r(m)处的浓度,();

—扩散系数,(m);

*—静风持续时间,

c.连续泄漏,风速u,0.5m/s<u<1m/s时,把连续泄漏看作时间内气团泄漏量为的瞬时泄漏的迭加。于是,以泄漏源为坐标原点,下风向为x轴的三维空间一点(x,y,z)处的浓度为:

              (4-31)

(2)高斯气团模型

瞬时泄漏形成的气团或重气体作用消失后气团的扩散,应用高斯气团模型计算以泄漏源为坐标原点,下风向为x轴的三为空间一点(x,y,z)处的浓度:

 

(4-32)

式中符号意义同前。

 

 

4.2    4.2     火灾事故后果分析

 

易燃、易爆的液体、气体泄漏后遇到引火源就会被点燃而发火燃烧。它们被点燃后的燃烧方式有:

(1)池 火(Pool Fire):液体泄漏到地面后形成液池,在地面或水面燃烧;

(2)喷射火(Jet Fire):气体从裂口喷出后立即燃烧,如同火焰喷射器;

(3)火 球(Fire Ball):又称气爆(Bleve),压力容器内液化气体过热使容器爆炸,内容物泄漏并被点燃,产生强大的火球;泄漏的可燃气团或蒸汽与空气混合后被点燃,发生预混燃烧;

(4)突发火(Flash Fire):泄漏的可燃气体在空气中扩散后发生的滞后燃烧不产生冲击波破坏。

火灾通过热辐射的方式影响周围环境。当火灾产生的热辐射强度足够大时,可使周围的物体燃烧或变形。强烈的热辐射可能烧死、烧伤人员,财产损失。热辐射造成伤害或损坏的情况取决于人员或物体处辐射热的多少。可以按单位表面积受到的热辐射功率大小,即入射热辐射通量来计算热辐射量。表4-2为不同入射热辐射通量造成损失的情况。

 

4-2 不同入射热辐射通量造成损失的情况

入射通量(Kw/m3)

对设备的损坏

对人的损害

37.5

操作设备全部损坏

1%死亡/10秒

25

在无火焰、长时间辐射,木材燃烧的最小能量

重大损伤/10秒

100%死亡/1分钟

12.5

有火焰时,木材燃烧塑料溶化的最低能量

一度烧伤/10秒

1%死亡/1分钟

4.0

 

20秒以上感觉疼痛

1.6

 

长期辐射无不舒服

 

4.2.1 池火

可燃性液体泄漏后流到地面形成液池,或流到水面并覆盖水面,遇到引火源燃烧而形成池火。

(1)燃烧速度

当液池中的可燃物的沸点高于周围环境温度时,液池表面上单位面积燃烧速度为:

                  (4-33)

式中,—单位表面积燃烧速度,㎏/m2s;

—液体燃烧热,J/㎏;

—液体的定压比热,J/㎏ K;

—液体沸点,K;

—环境温度,K;

—液体蒸发热J/㎏。

当液池中液体的沸点低于环境温度时,如加压液化气或冷冻液化气,液池表面上单位面积的燃烧速度为:

=                      (4-34)

式中符号意义同前。

4-3列出一些可燃液体的燃烧热。

4-3 一些可燃液体的燃烧热

物质

密度(g/cm3)

自然点(℃)

热值(KJ/㎏)

乙醇

0.789

423

30984

丙醇

0.804

404

34789

丁醇

0.810

365

37247

戊醇

0.817

300

39009

(2)火焰高度

火焰高度h可按下式计算:

h=84r                    (4-35)

式中,—周围空气密度,㎏/m3

g—重力加速度,9.8m/s2;

其它符号意义同前。

(3)热辐射通量

设液池为一半径为r的圆形池,则液池燃烧时放出的总热通量Q为:

            (4-36)

式中,r—液池半径,m;

h—火焰高度,m;

η—效率因子,可取0.13-0.35;

HC—液体燃烧热,J/㎏;

(4)热辐射强度

假设全部辐射热都是从液池中心点的一个微小的球面发出的则在距液池中心某一距离的入射热辐射强度I为:

                          (4-37)

式中,—总热辐射通量,W;

—空气导热系数;

x—对象点到液池中心距离。

4.2.2 喷射火

加压气体泄漏时形成射流,如果在裂口处被点燃,则形成喷射火。在计算喷射火的热通量时,把它看作一系列位于射流轴线上的点热源,每个点热源的热辐射通量都是q,于是可以按射流扩散公式计算总热辐射通量。

点热源热辐射通量可按下式计算:

                        (4-38)

式中,—效率因子,可取0.35;

  —效率速度,㎏/s;

  —燃烧热,J/㎏。

喷射火的火焰长度等于从泄漏裂口到可燃混合气燃烧下限的射流轴线长度。有时为了计算简便,取射流轴线距离该点X处一点的热辐射强度为:

                           (4-39)

式中,—辐射率,可取0.2;

  q—点热源的辐射通量,W;

  x—点热源到对象点的距离,m。

某一对象点的入射热辐射强度等于喷射火的全部点热源对该点的热辐射通量的总和。

                             (4-40)

式中,n为计算时选取的点热源数,一般取n=5。

4.2.3 火球与气爆

发生火球和爆燃燃烧时,火球的最大半径r为:

                      (4-41)

式中,—急剧蒸发的可燃物质的质量,㎏;

火球燃烧的持续时间t为:

                      (4-42)

火球燃烧时发出的辐射通量为:

                          (4-43)

式中,—燃烧热,J/㎏;

M—燃烧的物质量,㎏;

t—燃烧持续时间,s;

效率因子,取决于设备中可燃物质的饱和蒸汽压P。

                          (4-44)

距火球中心x处一点的入射热辐射强度I可按下式计算:

                              (4-45)

式中,—火球燃烧辐射通量,ω;

—空气导热系数。

4.2.4 突发火

泄漏的可燃气体、液体蒸发的蒸汽在空气中扩散,遇引火源突然燃烧而没有爆炸。此种情况下,处于气体燃烧范围内的全部室外人员将遇难死亡;建筑物内的部分人员将死亡。

突发火后果分析主要计算可燃混合气体燃烧下限随气团扩散到达的范围。为此可按气团扩散模型计算气团大小和可燃混合气体的浓度。

 

 

4.3  爆炸事故后果分析

 

爆炸是物质由一种状态迅速转变为另一种状态,并在瞬间以机械力的形式释放出巨大能量,或是气体、蒸汽在瞬间发生剧烈膨胀等现象。

一般说来,爆炸现象具有以下特征:

(1)爆炸过程进行得很快;

(2)爆炸点附近压力急剧升高,产生冲击波;

(3)发出或大或小的响声;

(4)周围介质发生震动或邻近物质遭受破坏。

危险物质泄漏后可燃气团遇引火源发生爆炸,往往造成极强的破坏和巨大的伤亡。表4-3为国外重大工业爆炸事故事例。

4-3 重大工业爆炸事故

化学物

死亡

重伤

地点与时间

二甲基

245

3800

路德维希港,原联邦德国,1948

  油

32

16

比特堡, 原联邦德国,1954

异丁烷

7

13

莱克查尔斯,路易斯安娜州,美国

  油

2

85

佩尔尼斯,荷兰,1968

  烯

 

230

东圣路易斯,伊利诺依州,美国,1972

  烷

7

152

迪凯诺斯州,美国,1974

环己烷

28

89

费利克斯巴勒,英国,1974

  烷

14

107

贝克,荷兰,1975

 

爆炸事故有以下几种类型:

1蒸汽云团的可燃混合气体遇火源突然燃烧,是在无限空间中的气体爆炸;

2)受限空间内可燃混合气体的爆炸;

3由于化学反应失控或工艺异常造成的压力容器爆炸;

4不稳定的固体或液体的爆炸;

5不涉及化学反应的压力容器爆炸。

其中爆炸发生时会释放出大量的化学能,爆炸影响范围较大;最后一种属于物理爆炸,仅释放出机械能,其影响范围较小。

4.3.1 物理爆炸的爆炸能

压力容器在内部介质压力作用下发生的爆炸属于物理爆炸。当压力容器内部介质相态不同时,发生物理爆炸时的爆炸能计算公式也不相同。

(1)当盛装气体的压力容器发生爆炸时,其释放的爆炸能E为:

                          (4-46)

式中,—爆炸时容器内部介质的压力,

  —压力容器的容积,m3

  —气体的热容比。

4-5列出了常见气体的热容比。

4-5 常见气体的热容比

气体名称

γ值

气体名称

γ值

空气

1.4

丙烯

1.15

氮气

1.4

一氧化碳

1.395

氧气

1.391

二氧化碳

1.295

氢气

1.412

一氧化氮

1.4

甲烷

1.315

一氧化二氮

1.274

乙烷

1.18

二氧化氮

1.31

丙烷

1.13

氢氰酸

1.31

正丁烷

1.10

硫化氢

1.32

乙烯

1.22

二氧化硫

1.25

 

(2)当盛装压缩气体或液化气体的压力容器发生爆炸时,其爆炸能E可按下式计算:

                                  (4-47)

式中,—爆炸前后介质的压力差,等于破坏压力与工作压力之差,Pa

V—压力容器的容积,m3

β—液体的压缩系数,

(3)当盛装液化气体的压力容器发生爆炸时,除了气体的急剧膨胀外,尚有液体的激烈蒸发过程。过热状态下液体在容器破裂时放出的爆炸能E可按下式计算:

E=[(H1-H2)-(S1-S2)T1]W                 (4-48)

式中,H1—爆炸前液化气体的焓,KJ/㎏;

H2—大气压力下饱和液化气体的焓,KJ/㎏;

S1—爆炸前液化气体的熵,KJ/㎏

S2—大气压力下饱和液化气体的熵,KJ/㎏;

W—饱和液化气体的质量,㎏;

T1—介质在大气压力下的沸点,K。

压力容器爆炸时,爆炸能量在相外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能三种形式表现出来,即,

                       (4-49)

式中,E-压力容器爆炸时释放的总能量,J;

E1-冲击波能量,J;

E2-碎片能量,J;

E3-容器残余变形能量,J。

由于容器残余变形能量与其余两种形式能量相比可以忽略不计,所以近似的认为:

                           (4-50)

根据一些实验研究,可以按下述公式计算爆炸时的冲击波能量E1和碎片能量E2

                              (4-51)

                           (4-52)

其中F为碎片破裂能屈服系数,对于脆性破裂,F=0.2,对于塑性破裂,F=0.6。

4.3.2 冲击波影响范围

冲击波以爆炸源为中心向外传播,冲击波超压逐渐衰减。冲击波超压大于某一破坏压力的范围即为冲击波影响范围,一般以冲击波影响半径来量度。

1)压力容器爆炸的冲击波影响半径

压力容器爆炸时冲击波影响半径R可以按下式计算:

R=0.022r1E1+d/2                         (4-53)

式中,r1—影响半径变化率

E1—冲击波能量,J;

D—压力容器直径,m。

上式中的影响半径变化率r可查。

2)蒸汽云团爆炸的冲击波影响半径

荷兰应用科研院(TNO)建议按下式计算蒸汽云团爆炸的冲击波影响半径R:

                          (4-54)

式中,E—爆炸能量,J;

N—效率因子,冲击波能量与总能量的比率,一般N=10%

CS—经验常数,取决于损坏等级,查表4-6。

4-6 损坏等级

损坏等级

CS值,mJ

设备损坏

人员伤害

1

0.03

重创建筑物和加工设备

1%死亡于肺部伤害

>50%耳膜破裂

>50%被碎片击伤

2

0.06

建筑物物外表可修复性破坏

1%耳膜破裂

1%被碎片击伤

3

0.15

玻璃破裂

被碎玻璃击伤

4

0.4

10%玻璃破碎

 

 

4.3.3 碎片能量及碎片打击

压力容器爆炸时碎片具有很大的动能向四周飞散,当碎片击中人员或设备、建筑物时将发生伤害或破坏。

压力容器内介质为液体时,容器爆炸瞬间碎片具有的能量较小,可以不考虑其影响。当容器内介质为气体或液化气体时,碎片具有较大的破坏力。

压力容器爆炸时碎片发出的初速度为:

                   (4-55)

式中,—压力容器本体质量,㎏;

—碎片破裂能屈服系数;

—爆炸前后的压力差,pa;

—热容比;

—压力容器内气体体积,m3

受空气阻力影响,碎片飞行S距离以后,其速度变为V:

                  (4-56)

式中,—碎片的初速度,m/s;

C—空气阻力系数;

A—碎片面积,m2

m—碎片质量,㎏;

—空气密度,㎏/m3

S—碎片飞行距离,m。

高速飞行的碎片撞击到设备、建筑物,碎片的打击深度取决于碎片具有的动能和结构的强度。可以按下式计算碎片的打击深度X:

X=1.85×              (4-57)

式中,—贯透常数,其取值情况见表4-7;

—碎片质量,㎏;

*—碎片打击时的速度,m/s。

 

4-7 不同结构的贯透常数CP

材料

强度MN/m2

贯透常数CP

炭钢

 

1

不锈钢

 

0.6

混凝土

15

20

混凝土(强化)

22

12

钢筋混凝土

40

7

 

50

松软地面

 

90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

科克斯(Cox)等建议按下式计算打击深度X:

      X=                           (4-58)

式中,M—碎片质量,㎏;

V—碎片打击时的速度,m/s

K,—被打击物体的参数,其取值情况见表4-8。

4-8 被打击物体的有关参数

物料

K

n1

n2

混凝土,积压强度(35N/m2)

1.8×10-5

0.4

1.5

砖结构

2.3×10-5

0.4

1.5

软钢

0.6×10-5

0.33

1.0

 

 

 

 

 

 

 

4.4 中毒事故后果分析

 

有毒物质泄漏后生成有毒蒸气云,它在空气中漂移、扩散、直接影响现场人员并可能波及居民区。大量剧毒物质泄漏可能带来严重的人员伤亡和环境污染。

毒物对人员的危害程度取决于毒物的性质、毒物的浓度 人员与毒物接触时间等因素。有毒物质泄漏初期,其毒气形成气团密集在泄漏源周围,随后由于环境温度、地形、风力和流等影响气团漂移、扩散,扩散范围扩大,浓度减小。

在后果分析中,往往不考虑毒物泄漏的初期情况,而主要计算其在大气中漂移、扩散的范围、浓度、接触毒物的人数等。

441 毒物泄漏后果的概率函数法

概率函数法是通过人们在一定时间接触一定毒物所造成的影响的概率来描述毒物泄漏后果的一种表示方法。,二者可以相互换算,见表4-9。概率值在0~10之间。

 

4-9  概率与中毒死亡百分率的换算关系

死亡百分率/(%)

O

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

 

2.67

2.95

3.12

3.25

3.36

3.45

3.52

3.59

3.66

10

3.72

3.77

3.82

3.87

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

4.26

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

5.44

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

 

0.0

0.1

0.2

O.3

0.4

0.5

0.6

O.7

0.8

0.9

99

7.33

7.37

7.41

7.46

7.51

7.58

7.58

7.65

7.88

8.09

 

概率值Y与接触毒物浓度及接触时间的关系如下:

                                           (4-59)

式中A、B、n——取决于毒物性质的常数,表4-10列出了一些常见有毒物质的有关参数;

    C——接触毒物的浓度,ppm;

    t——接触毒物的时间,min。

 

4-10一些毒性物质的常数

    物质名称

    A

    B

    n

    参考资料

    氯

    一5.3

    0.5

    2.75

    DCMR 1984

    氨

    一9.82

    0.71

    2.0

    DC2dR 1984

    丙稀醛

    -9.93

    2.05

    1.O

    USCG 1977

    四氯化碳

    0.54

    1.01

    0.5

    USCG 1977

    氯化氢

    -21.76

    2.65

    1.O

    USCG 1977

    甲基溴

    -19.92

    5.16

    1.O

    USCG 1977

    光气(碳酰氯)

    -19.27

    3.69

    1.0

    USCG 1977

    氟氢酸(单体)

    -26.4

    3.35

    1.O

    USCG 1977

 

使用概率函数表达式时,必须计算评价点的毒性负荷(c“。t),因为在一个已知点,有毒物质浓度随着气团的稀释而不断变化,瞬时泄漏就是这种情况。确定毒物泄漏范围内某点的毒性负荷,可把气团经过该点的时间划分为若干区段,计算每个区段内该点的毒物浓度,得到各时间区段的毒性负荷,然后再求出总毒性负荷:

    总毒性负荷=∑时间区段内毒性负荷

一般说来,接触毒物的时间不会超过30分钟,因为在这段时间里可以逃离现场或采取保护措施。

当毒物连续泄漏时,某点的毒物浓度在整个云团扩散期间没有变化。当设定某死亡百分率时,由表4-9查出相应的概率Y值,根据公式(4-59)有

                                           (4-60)

可以计算出C值,于是按扩散公式可以算出中毒范围。

如果毒物泄漏是瞬时的,则有毒气团的某点通过时该点处毒物浓度是变化的。这种情况下,考虑浓度的变化情况,计算气团通过该点的毒性负荷,算出该点的概率值y,然后查表5—39就可得出相应的死亡百分率。

4.4.2 有毒液化气体容器破裂时的毒害区估算

有毒物质,特别是液化有毒物质泄漏后,往往会在较大范围对环境造成破坏,致亡、中毒。为了较为精确地计算毒害区的大小,国内外开发了一些计算机软件,根据不泄漏类型、扩散模型和物质毒性大小等计算可能致人死亡、中毒的范围。此处仅介绍简危害区域估算方法。

液化介质在容器破裂时会发生蒸气爆炸。当液化介质为有毒物质,如液氯、液氨、化硫、氢氰酸等,爆炸后若不燃烧,会造成大面积的毒害区域。

设有毒液化气体重量为W(kg),容器破裂前器内介质温度为t(℃),液体介质比热为C(kJ/kg·℃),当容器破裂时,器内压力降至大气压,处于过热状态的液化气温度迅速降准沸点t。(℃),此时全部液体所放出的热量为:

                                     (4-61)

设这些热量全部用于器内液体的蒸发,如它的气化热为q(Kj/kg),则其蒸发量:

                                               (4-62)

如介质的分子量为M,则在沸点下蒸发蒸气的体积%(m3)为:

      

                             (4-63)

为便于计算,现将压力容器最常用的液氨、液氯、氢氰酸等的有关物理化学性能列于表4-11中。关于一些有毒气体的危险浓度见表4-12。

4-11一些有毒物质的有关物化性能

    物质名称

    分子量M

 沸 点  

 t0/℃

  液体平均比热    C/kJ/kg℃

    汽化热

    q/kJ/kg

    氨

    17

    —33

    4.6

    1.37×103

    氯

    7l

    一34

    0.96

    2.89 x102

    二氧化硫

    64

    —10.8

    1.76

    3.93×102

    丙稀醛

    56.06

    52.8

    1_88

    5.73×102

    氢氰酸

    27.03

    25.7

    3.35

    9.75×102

    四氯化碳

    153.8

    76.8

    0.85

    1.95×102

 

4-12有毒气体的危险浓度

    物质名称

    吸人5—10min

    致死的浓度/%

    吸人O.5~lh

    致死的浓度/%

 吸人0.5~1h致重病的浓度/%

    氨

    O.5

 

 

    氯

    0.09

    0.0035~0.005

 0.0014~0.0021

    二氧化硫

    0.05

    0.053~0.065

 0.015~0.019

    氢氰酸

    0.027

    0.011~0.014

 0.01

    硫化氢

    0.08~O.1

    0.042~0.06

 0.036~0.05

    二氧化氮

    0.05

    0.032~0.053

 0.011~0.021

 

若已知某种有毒物质的危险浓度,则可求出其危险浓度下的有毒空气体积。如二氧化硫在空气中的浓度达到0.05%时,人吸入5~10min即致死,则%(m3)的二氧化硫可以产生令人致死的有毒空气体积为

           V=Vg×100/0.05=2000Vg(m3)

假设这些有毒空气以半球形向地面扩散,则可求出该有毒气体扩散半径为

                      (4-64)

式中  R——有毒气体的半径,m;

  Vg——有毒介质的蒸气体积,m3

  C——有毒介质在空气中危险浓度值,%。

4.4.3 有毒介质喷射泄漏时的毒害区估算

在喷射轴线上距孔口x处的气体浓度C(x)为:

                            4-65

式中  b1b2——分布函数,其表达式为:

D——等价喷射孔径,M。其表达式为:

        

      其中  D0——裂口孔径,m

            ρ0——泄漏气体的密度,kg/m3

            ρ——周围环境条件下气体的密度,kg/m3

如果将(4-65)式改写成xCx)的函数形式,则给定某浓度值Cx),可以计算该浓度的点到孔口的距离x

在过喷射轴线上点x且垂直于喷射轴线的平面内任一点处的气体浓度为:

                             4-66

式中  Cxy)——距裂口距离x且垂直于喷射轴线的平面内Y点处的气体浓度,kg/m3

Cx  ——喷射轴线上距裂口x处的气体浓度,kg/m3

b2  ——分布参数;

y   ——目标点到喷射轴线的距离,m

 

 

 

参考文献

1.  1  国际劳工局  重大事故控制实用手册  中国劳动出版社  1993

2.  2  李民权  工业污染事故评价技术手册  中国环境科学出版社  1993

3.  3  钱新明  易燃易爆危险物质泄漏扩散模型仿真及其应用的研究  东北大学学报  1996Vol173):291~297

4.  4  刘铁民  注册安全工程师教程  中国矿业大学出版社  20035月第一版

5.  5  常德强  石化企业重大事故预警与应急系统的GIS研究  东北大学硕士论文 200312

6.  6  国家安全生产监督管理局编  危险化学品安全评价  中国石化出版社  20038月第一版

7.  7  陈宝智  危险源辨识、控制和评价 四川科学技术出版社 1996年第一版

8.  8  何学秋  安全工程学  中国矿业大学出版社  20006  第一版  

9.  9  蔡风英  化工安全工程  科学出版社  20012 第一版

10.              10              李志宪  各国事故预防立法概况  劳动保护杂志  989

11.              11              王凯全  石油化工流程的危险辨识  东北大学出版社  200212月第一版

 

 

 

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