Вадим Романов - Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

• Название: Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу
• Автор: Вадим Романов
• Жанр: Экология
• Год: 2006
• ISBN: 978-5-89155-166-2

Книга посвящена проблемам загрязнения окружающей среды при авариях промышленных предприятий и объектов разного профиля и имеет, в основном, обзорный справочный характер.

Изучается динамика аварийных турбулентных выбросов при наличии атмосферной диффузии, характер расширения турбулентных струйных потоков, их сопротивление в сносящем ветре, эволюция выбросов в реальной атмосфере при наличии инверсионных задерживающих слоев.

Классифицируются и анализируются возможные аварии с выбросами в атмосферу загрязняющих и токсичных веществ в газообразной, жидкой или твердой фазах, приводятся факторы аварийных рисков.

Рассмотрены аварии, связанные с выбросами токсикантов в атмосферу, описаны математические модели аварийных выбросов. Показано, что все многообразие антропогенных источников загрязнения атмосферного воздуха при авариях условно может быть разбито на отдельные классы по типу возникших выбросов и характеру движения их вещества. В качестве источников загрязнений рассмотрены пожары, взрывы и токсичные выбросы. Эти источники в зависимости от специфики подачи рабочего тела в окружающее пространство формируют атмосферные выбросы в виде выпадающих на поверхность земли твердых или жидких частиц, струй, терминов и клубов, разлитий, испарительных объемов и тепловых колонок. Рассмотрены экологические опасности выбросов при авариях и в быту.

Книга содержит большой иллюстративный материал в виде таблиц, графиков, рисунков и фотографий, который помогает читателю разобраться в обсуждаемых вопросах. Она адресована широкому кругу людей, чей род деятельности связан преимущественно с природоохранной тематикой: инженерам, научным работникам, учащимся и всем тем, кто интересуется экологической и природозащитной тематикой.

---

Дефлаграция может переродится в детонацию. Это часто происходит в трубопроводах, но маловероятно в сосудах и на открытом пространстве.

В настоящее время не создана модель, позволяющая однозначно предсказать скорость взрывного превращения. В [106] рекомендуется для инженерной оценки использовать специальную экспертную таблицу института Химической Физики РАН.

В этой таблице представлены топлива, способные к образованию горючих смесей с воздухом, которые разделены на классы по чувствительности к инициированию взрывных процессов. Геометрические характеристики окружающего пространства также разделены на несколько классов в зависимости от степени их потенциальной опасности (степени загроможденности). В зависимости от типа вещества и степени загроможденности пространства можно определить наиболее вероятный режим взрывного превращения смеси.

Используя обобщенные экспериментальные исследования по взрыву определенных объемов газовоздушных смесей, как правило стехиометрического или близкого к нему состава, однородного по объему, с исходной геометрией, близкой к сферической и, в основном, с центральным поджиганием, получены [106] зависимости величины избыточного давления и импульса фазы сжатия для режима дефлаграции. Они записываются так:

где UF — скорость фронта пламени, v — степень расширения продуктов сгорания, а0 — скорость звука в воздухе.

EB — энергия взрывного превращения (количество реагирующего вещества умноженное на теплоту сгорания),

Ра — атмосферное давление,

R — расстояние от эпицентра взрыва,

I+а — импульс положительной фазы,

ΔР — избыточное давление.

Отметим, что использование этих данных для прогнозов эффектов поражения и разрушения при воспламенении плоских вытянутых углеводородных облаков и аварий на магистральных трубопроводах требует значительного уточнения.

2.2. Факторы рисков опасных воздействий взрывов

Горение парового облака, происходящее, как правило, в режиме дефлаграции со скоростью 250–300 м/с, формирует в окружающей среде воздушную волну избыточного давления. Ударная волна при производственных авариях может вызвать большие людские потери и разрушения элементов сооружений. Размеры зон поражения от взрывов возрастают с увеличением их мощности.

Действие ударной волны на здания и сооружения характеризуется сложным комплексом нагрузок: прямое давление, давление отражения, давление обтекания и давление затекания, нагрузка от сейсмовзрывных волн и т. д.

При моделировании уязвимости сооружений сопротивляемость их элементов воздействию ударной волны принято характеризовать величиной избыточного давления на фронте ударной волны (дРф). Степень и характер поражения сооружений при взрывах во время производственных аварий зависят от следующих параметров:

а) мощности (тротилового эквивалента) взрыва;

б) технической характеристики сооружений объекта (его конструкции, прочности, размеров, формы и др.);

в) планировки объекта (рассредоточенности сооружений) и характера застройки;

г) ландшафта местности (рельефа, грунта, растительности);

д) метеорологических условий (направления и силы ветра, влажности, температуры, наличия осадков) [109]. В Таблице № 2.1 представлены данные о избыточных давлениях на фронте ударной волны, вызывающих повреждение объекта разной тяжести.

Вероятность достижения того или иного уровня ущерба можно рассчитать с помощью пробит функции [106, 107, 110].

В общем случае одно и то же воздействие различной физической природы (доза термической радиации, значение избыточного давления, ударный импульс и т. п.) может вызвать последствия различной тяжести, т. е. эффект поражения носит вероятностный характер. Величина поражения (Р измеряется в долях единицы или процентах) выражается функцией Гаусса

Таблица № 2.1.

Избыточное давление, вызывающее разрушение, (ΔРф), КПа.

в которой верхний предел интегральной функции является пробит-функцией, отражающей связь между вероятностью поражения и поглощенной дозой. Пробит-функция может быть вычислена по уравнению вида:

Pr = а + b ln(D), (2.13)

где а и b — константы для каждого вещества или процесса, характеризующие специфику и меру опасности его воздействия,

D — поглощенная субъектом доза негативного воздействия.

Вероятность малых повреждений зданий и сооружений можно оценить по соотношению:

Рг1 = 5–0,26 In S1, (2.14)

где влияние перепада давления в волне импульса фазы сжатия отражено фактором

Вероятность трудно реставрируемых повреждений зданий и сооружений можно оценить по соотношению:

Рг2 = 5–0,26 In S2, (2.16)

В этом случае фактор

Вероятность невосстанавливаемых повреждений зданий и сооружений (обрушение несущих стен) можно оценить пользуясь соотношениями:

Рг3 = 5–0,26 In S3, (2.18)

Следует отметить, что последствия взрыва представляют прямую и потенциальную опасность для человека. Люди могут получить повреждения от прямого воздействия (включая повышенное давление и тепловое излучение) и от косвенного (осколочное поражение, падение фрагментов изделий и т. п.).

Прямое или первичное поражающее действие взрывной волны связано с изменением давления в окружающей среде в результате прихода воздушной взрывной волны. Люди особо чувствительны к таким факторам взрыва, как избыточное давление в падающей и отраженных волнах, динамическое давление, скорость повышения давления до пикового значения после прихода взрывной волны и ее длительность, а также удельный импульс взрывной волны. Из других факторов, которые определяют степень поражения, нанесенного взрывной волной, можно назвать внешнее атмосферное давление, размеры и возраст человека. Органы тела, отличающиеся наибольшей разницей в плотностях соседних тканей, обладают наиболее высокой чувствительностью к первичному поражающему воздействию взрывной волны. Таким образом, ткани легких, наполненные воздухом, и ухо страдают от действия взрывной волны больше всего.

Общая характеристика воздействия избыточного давления на человека приведена в Таблице 2.2.

Отметим, что в случае нахождения людей в момент внешнего взрыва в зданиях, их поражение может наступить от механического воздействия за счет разрушения зданий (обрушения перекрытий и т. п.) уже при давлениях 0,3–0,5 бар. Ниже приводятся данные, позволяющие оценить вероятностные характеристики повреждений человека от аварийных негативных воздействий.

Таблица № 2.2.

Воздействие избыточного давления на человека

Вероятность летального исхода от прямого воздействия на людей избыточного давления определяется с помощью пробит-функции:

Вероятность разрыва легких оценивается по формуле:

где

P0 — начальное давление, m — вес живого организма, кг.

Нижний уровень контузии связан с повреждением органов слуха и зависит только от перепада давления в волне. Он определяется пробит-функцией:

Рг6 = 12,6–1,524 lnΔР. (2.24)

Существенным фактором опасности представляется разлет осколков и фрагментов оборудования и стекла. К числу объектов, потенциально опасных по осколочному фактору поражения, можно отнести работающие при повышенном давлении оборудование для хранения и транспортировки горючего, помещения и емкости для сжатых газов, химических соединений и т. д. Обычно подобное оборудование изготавливается из особых сортов сталей и при разрыве образуется сравнительно малое число осколков. Однако разлет объемных удлиненных элементов оборудования может сопровождаться истечением жидкого или газообразного рабочего тела, что придает фрагментам дополнительный импульс. При разрыве сосудов и аппаратов высокого давления, при отрыве специализированных легко сбрасываемых конструкций или разрушении вышибных мембран также образуются дискообразные элементы. Полет таких элементов определяется не только силами тяжести и инерции, но и находится под влиянием подъемной силы. Это обстоятельство заметно влияет на дальность разброса фрагментов. Массивные фрагменты способны отлетать на весьма большие расстояния от места образования (на открытом воздухе до 100 м и более) и вызывать тяжелые вторичные разрушения при столкновении с объектами промышленной и жилой застройки.