4.2. Взрыв парогазовоздушного облака в неограниченном пространстве
Парогазовоздушное (ПГВ) облако образуется при авариях в системах переработки, транспортировки и хранения перегретых жидкостей и сжатых газов, а также при испарении разлившейся горючей жидкости (нефть, бензин и т. д.).
При авариях агрегата, содержащего горючие жидкости или газы, принимается, что все содержимое аппарата поступает в окружающее пространство и одновременно происходит утечка вещества из подводящего и отводящего трубопроводов в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов (табл. 4.9).
Таблица 4.9
Расчетное время отключения трубопроводов
Характеристика систем автоматики |
Расчетное время отключения, с |
Вероятность отказов менее 10–6 в год или обеспечено резервирование ее элементов |
менее 120 |
Вероятность отказов более 10–6 в год или не обеспечено резервирование ее элементов |
120 |
Ручное отключение |
300 |
Масса газа, кг, поступившего в окружающее пространство при аварии аппарата,
,
(4.14)
где
Vа
= 0,01 P1
·
V1
– объем газа, вышедшего из аппарата,
м3;
P1
– давление в аппарате, кПа; V1
–
объем аппарата, м3;
Vт
=
Vт1
+
V2
–
объем газа, вышедшего из трубопровода,
м3;
V1
=
Q · τ – объем газа, вышедшего из трубопровода
до его отключения, м3;
Q
–
расход газа, определяемый в соответствии
с технологическим регламентом в
зависимости от давления в трубопроводе,
его диаметра, температуры газа и т. п.,
м3/с;
τ
–
время, определяемое по табл. 4.9; V2
=
0,01 · π · P2
·
–
объем газа, вышедшего из трубопровода
после его отключения, м3;
P2
–
максимальное
давление в трубопроводе по технологическому
регламенту, кПа; ri
– внутренний радиус i-го участка
трубопровода, м; Li
– длина i-го участка трубопровода от
аварийного аппарата до задвижек, м; n –
число поврежденных участков трубопровода;
ρг
– плотность паров газа, кг/м3.
При аварии аппарата с жидкостью часть жидкости может находиться в виде пара, вырывающегося при аварии в окружающее пространство, образуя первичное облако. Оставшаяся часть жидкости разливается либо внутри обваловки (поддона), либо на грунте с последующим испарением с зеркала разлива с образованием вторичного облака.
Масса пара в первичном облаке, кг,
,
(4.15)
где α – объемная доля оборудования, заполненная газовой фазой; V1, P1, Па, Vт, P2, Па – то же, что и в формуле (4.1); Тж – температура жидкости в аппаратуре, К; М – молекулярная масса жидкости, кг/моль; R – универсальная газовая постоянная газа, равная 8310 Дж/(К·кмоль). Если разлившаяся жидкость имеет температуру Тж выше, чем температура кипения Ткип и температура окружающей среды Тос (Тж > Ткип > Тос), то она кипит за счет перегрева с образованием пара с массой
,
(4.16)
где Lкип – удельная теплота кипения жидкости при температуре перегрева Тж, Дж/кг; Cр – удельная теплоемкость жидкости при температуре перегрева Тж , Дж/(кг·К); mж – масса перегретой жидкости, кг.
Разлившаяся жидкость с температурой Тж < Ткип испаряется с образованием пара массой mп. исп, кг, во вторичном облаке:
,
(4.17)
где W – интенсивность испарения жидкости, кг/(м2·с); Fисп – площадь испарения (разлива), м2, равная площади обваловки (поддона) или площади поверхности, занимаемой разлившейся жидкостью, исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих 70 % и менее (по массе) растворителей, разливается – на 0,1 м2, остальные жидкости на 0,15 м2; τисп – время испарения разлившейся жидкости, с, равное либо времени полного испарения [τисп = mж/(W · Fисп)], либо ограничиваемое временем 3600 с, в течение которых должны быть приняты меры по устранению аварии.
Интенсивность испарения разлившейся жидкости W определяется по справочным или экспериментальным данным. Например, согласно документу НПБ 197-97 при обосновании взрывопожарной опасности наружных установок для ненагретых легко воспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) используется формула
,
(4.18)
где Рнас – давление насыщенного пара, кПа, определяемое по формуле
.
(4.19)
Поступая в окружающее пространство, горючий газ или пар ЛВЖ массой mг или mп, кг, образует взрывоопасное облако, горизонтальные размеры которого ограничены линией, соответствующей нижнему концентрационному пределу распространения пламени Снкпр, кг/м, (табл. 4.10). При этом радиус облака Rнкпр, м, определяется по формулам:
– для горючих газов
;
(4.20)
– для паров ненагретых ЛВЖ
,
(4.21)
Таблица 4.10
Характеристика взрываемости некоторых газов (паров)
Вещество |
М, кг/моль |
Qν,г, кДж/кг газа |
Qν,стх, кДж/кг газовоздушной смеси |
Пределы взрываемости (НКПР/ВКПР) |
Ρстх, кг/м3 |
Сстх об., % |
|
% |
кг/м3 |
||||||
Аммиак NH3 |
15 |
16 600 |
2370 |
15/18 |
0,11/0,28 |
1,18 |
19,72 |
Ацетон C3H6O |
58 |
28600 |
3112 |
2,2/13 |
0,052/0,31 |
1,21 |
4,99 |
Ацетилен C2H2 |
26 |
48 300 |
3387 |
2/81 |
0,021/0,86 |
1,278 |
7,75 |
Бутан С4H10 |
58 |
45 800 |
2776 |
1,9/9,1 |
0,045/0,22 |
1,328 |
3,13 |
Бутадиен C4H8 |
56 |
47 000 |
2892 |
2/11,5 |
0,044/0,26 |
1,329 |
3,38 |
Бензол С6H6 |
78 |
40 600 |
2973 |
1,4/7,1 |
0,045/0,23 |
1/350 |
2,84 |
Бензин |
94 |
46 200 |
2973 |
1,2/7 |
0,04/0,22 |
1,350 |
2,10 |
Водород Н2 |
2 |
120 000 |
2763 |
5/15 |
0,033/0,1 |
1/232 |
9,45 |
Метан CH4 |
16 |
50 000 |
2763 |
5/15 |
0,033/0,1 |
1,232 |
9,45 |
Оксид углерода СО |
28 |
13 000 |
2930 |
12,5/74 |
0,14/0,85 |
1280 |
4,03 |
Пропан С3H8 |
44 |
46 000 |
2801 |
2,1/9,5 |
0,038/0,18 |
1,315 |
4,03 |
Этилен C2H4 |
28 |
47 000 |
2922 |
3/32 |
0,034/0,37 |
1280 |
4,46 |
Плотность пара (газа), кг/м3,
,
(4.22)
где V0 – мольный объем, равный 22,4 м3/кмоль; tр – расчетная температура, °С, принимаемая равной максимально возможной температуре воздуха в соответствующей климатической зоне. При отсутствии соответствующих данных допускается принимать равной 61 °С.
Внутренние границы ПГВ облака определяются внешними габаритными размерами аппаратов, резервуаров, установок и т. д. Во всех случаях Rнкпр принимается не менее 0,3 м.
При расчете избыточного давления на фронте ударной волны при взрыве ПГВ облака принимают, что внутри облака имеется зона детонационного взрыва радиусом
,
(4.23)
где k – коэффициент, зависящий от способа хранения горючего вещества (1 – для газа; 0,6 – для сжиженного газа под давлением; 0,1 – для сжиженного газа при пониженной температуре (изотермическое хранение); 0,06 – аварийный разлив ЛВЖ); Cстх – стехиометрическая концентрация газа в смеси, объемные % (табл. 4.10).
В пределах зоны детонационного взрыва ΔРф = 1750 кПа.
Избыточное давление на фронте ударной волны, образующейся при взрыве ПГВ облака, кПа,
;
(4.24)
,
(4.25)
где mпр – приведенная масса пара или газа, участвующего во взрыве, кг; Qγ,г и Qγ,тнт – соответственно энергия газа (пара) и тротила (тринитротолуола), кДж/кг (значение Qγ,тнт приведено в табл. 4.7), а значения энергий взрыва некоторых газов (паров) – в табл. 4.10); z – коэффициент участия горючих газов и паров в горении, равный 0,1; R – расстояние от эпицентра взрыва, м.
Величина импульса давления вычисляется по формуле
.
(4.26)
Пример 4.2. На производственном объекте бензин хранится в наружном резервуаре емкостью V1 = 500 м3 на бетонном поддоне площадью Fпод = 400 м3. На расстоянии 50 м от резервуара находится диспетчерская, располагающаяся в здании с легким каркасом. Температура окружающей среды 27 °С (Тос = 300 °К). Определить возможную степень разрушения здания диспетчерской в случае аварии с разрушением резервуара. При расчете принять, что плотность жидкого бензина ρж = 740 кг/м3, молекулярная масса М = 94 кг/моль, скрытая теплота испарения Lкип = 287 300 Дж/кг, температура кипения Ткип = 413 °К).
Решение
1. Принимаем, что резервуар заполнен бензином на 80 %, а 20 % объема занимают пары бензина (α = 0,2). Поскольку бензин в резервуаре находится при атмосферном давлении (Р1 = 101,3 · 103 Па), то по формуле (4.15) найдем массу паров бензина в первичном облаке:
кг.
2. Интенсивность испарения разлившегося бензина W определяется по формуле (4.18). Для этого по формуле (4.19) находим давление насыщенного пара бензина при температуре окружающей среды.
Па.
Тогда
кг/м2с.
3. Масса паров во вторичном облаке, образующемся при испарении разлившегося бензина, в соответствии с формулой (4.17)
кг.
Время испарения τисп, в течение которого должны быть приняты меры по устранению аварии, принято равным 3600 с.
4. Суммарная масса паров бензина
кг.
5. Радиус взрывоопасного облака Rнкпр для паров ЛВЖ определяется по формуле (4.21):
м.
Плотность паров бензина находим по формуле (4.22), принимая tр = 61 °С:
кг/м3.
6. Радиус зоны детонационного взрыва определяем по формуле (4.23):
м.
В пределах этой зоны избыточное давление на фронте ударной волны ΔРф = 1750 кПа.
7. Избыточное давление на фронте ударной волны за пределами зоны детонационного взрыва найдем по формуле (4.24), предварительно определив приведенную массу паров по формуле (4.25):
кг.
Тогда на границе Rнкпр = 480 м избыточное давление на фронте ударной волны
кПа.
8. Избыточное давление на фронте ударной волны у здания диспетчерской (R = 50 м) определяем по формуле (4.24):
кПа.
9. Согласно табл. 4.2 при избыточном давлении на фронте ударной волны ΔРф = 22 кПа промышленное здание с легким металлическим каркасом может получить среднюю степень разрушения (разрушение крыши, окон, перегородок (ущерб 30…40 %).
10. Вероятность получения зданием диспетчерской средней степени разрушения можно найти, определив значение пробит-функции Pr по табл. 4.4 (строка 5).
Для этого по формуле (4.26) найдем величину импульса сжатия ударной волны
кПас.
Тогда
.
В соответствии с табл. 4.3 Вероятность среднего разрушения здания диспетчерской составит 4 %.
Определим вероятность того, что здание диспетчерской получит слабую степень разрушения, найдя сначала по табл. 4.4 (строка 4) значение пробит-функции Pr:
.
В соответствии с табл. 4.4 вероятность слабого разрушения здания диспетчерской составит 62 %.
Задание 4.2. Для условий примера 4.2 рассчитать вероятность разрушения объекта (табл. 4.11).
Таблица 4.11