Безопасность жизнедеятельности.

Безопасность жизнедеятельности.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ ТЕХНОГЕННЫХ АВАРИЙ И СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

Учебно-методическое пособие

Под редакцией профессора Б.С.Мастрюкова

 

 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургия в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и дипломированных специалистов 5505500 и 652300 – Металлургия и 656500 – Безопасность жизнедеятельности

 

 

Москва

Издательство «Учеба»

2007 год

 

Содержание

Содержание                                                                                                                         2

Введение                                                                                                                              3

1. Прогнозирование и оценка последствий при чрезвычайных ситуациях техногенного характера........................................................................................................................................................................... 5

1.1.    Прогнозирование и оценка последствий при авариях, сопровождающихся взрывами 5

1.1.1  Взрыв конденсированных взрывчатых веществ................................................... 9

1.1.2  Взрыв паро-газо-воздушного облака в неограниченном пространстве............ 13

1.1.3  Взрыв паро-газо-воздушного облака в ограниченном пространстве................ 19

1.1.4  Взрыв технологического оборудования под давлением..................................... 24

1.2.    Прогнозирование и оценка обстановки при авариях, сопровождающихся пожарами 28

1.2.1  Пожар разлития....................................................................................................... 31

1.2.2  Горение паро-газо-воздушного облака................................................................. 36

1.2.3  Горение одиночных зданий и промышленных объектов................................... 38

1.2.4  Пожар в населенном пункте и на промышленных объектах............................. 40

1.3.    Прогнозирование и оценка обстановки при химических авариях                44

1.4.    Прогнозирование и оценка обстановки при радиационных авариях           50

1.4.1  Расчет параметров зоны радиационного загрязнения при радиационной аварии 51

1.4.2  Прогнозирование количества пораженного персонала и населения, оказавшегося в зоне радиационного загрязнения.................................................................................................. 52

1.5.    Прогнозирование и оценка обстановки при гидротехнических авариях     55

2. Оценка обстановки при чрезвычайных ситуациях природного характера 60

2.1.    Прогнозирование и оценка обстановки при землетрясениях                        60

2.2.    Прогнозирование и оценка обстановки при ураганах                                    65

2.3.    Прогнозирование и оценка обстановки при наводнениях                             68

2.4.    Прогнозирование и оценка обстановки при лесных пожарах                       72

Приложение 1............................................................................................................................................................... 78

Приложение 2............................................................................................................................................................... 89

Библиографический список........................................................................................................................ 100

Введение

Прогнозирование и оценка обстановки при чрезвычайных ситуациях проводятся для заблаговременного принятия мер по предупреждению аварий, катастроф и стихийных бедствий, смягчению их последствий, определению сил и средств, необходимых для ликвидации последствий.

Целью прогнозирования и оценки обстановки является определение размеров зоны чрезвычайной ситуации, степени разрушения зданий и сооружений, а также потерь среди персонала объекта и населения.

Независимо от источника чрезвычайной ситуации, можно выделить шесть основных поражающих факторов, воздействующих на людей, окружающую природную среду, инженерно-технические сооружения и т.д. Это:

- барическое воздействие (взрывы взрывчатых веществ, газо-воздушных облаков, технологических сосудов под давлением, взрывы обычных и ядерных средств массового поражения и т. д.);

- термическое воздействие (тепловое излучение при техногенных и природных пожарах, огненный шар, ядерный взрыв и т.д.);

- токсическое воздействие (техногенные аварии на химически опасных производствах, шлейф продуктов горения при пожарах, применение химического оружия, выбросы токсических газов при работе предприятий в штатном режиме и т.д.);

- радиационное воздействие (техногенные аварии на радиационно опасных объектах, ядерные взрывы и т.д.);

- механическое воздействие (осколки, обрушение зданий и т.д.);

- биологическое воздействие (эпидемии, бактериологическое оружие и т.д.).

При прогнозировании последствий опасных явлений используют либо детерминированные, либо вероятностные методы.

В детерминированных методах прогнозирования определенной величине негативного воздействия поражающего фактора источника чрезвычайной ситуации соответствует вполне конкретная степень поражения людей, инженерно-технических сооружений и т.п.

Так, например, величина избыточного давления на фронте ударной волны ΔР_ф = 10 кПа принимается безопасной для человека. При величине избыточного давления на фронте ударной волны ΔР_ф = 100 кПа будут иметь место смертельные поражения 50% пострадавших людей.

При токсическом воздействии такими величинами являются предельно допустимая концентрация ПДК, мг/м³; летальная концентрация LC₅₀, мг/м³ или летальная токсодоза LD₅₀ (мг_* мин/м³ при ингаляционном воздействии и мг/кг при пероральном и кожно-резорбтивном воздействии), при которых погибает 50% реципиентов.

При радиационном воздействии используют эффективную D _эф, Зв или эквивалентную Е _экв, Зв дозы.

Область, ограниченная линией, соответствующей определенной степени негативного воздействия, носит название зоны воздействия этого уровня (летального, среднего, порогового и т.п.).

В действительности при воздействии одной и той же дозы негативного воздействия на достаточно большое количество людей, зданий и сооружений, компонентов окружающей природной среды и т.п. поражающей эффект будет различен и приведенные выше значения соответствуют математическому ожиданию данной степени негативного воздействия.

Другими словами, негативное воздействие поражающих факторов носит вероятностный характер. Величина вероятности поражения (эффект поражения) Р_пор (табл.П.1.1) измеряется в долях единицы или процентах и определяется, как правило, по функции Гаусса (функции ошибок) через «пробит-функцию» Pr:

;                                                                                      (1.1)

,                                                                                      (1.2)

где f – функция Гаусса; a, b - константы, зависящие от вида и параметров негативного воздействия; D - доза негативного воздействия, равная, например:

.                       (1.3)

Здесь q - плотность теплового потока, τ- время воздействия; ΔР_ф - избыточное давление на фронте ударной волны; I ₊ - импульс фазы сжатия ударной волны; С - концентрация токсиканта; D _эф - эффективная доза ионизирующего излучения; n – показатель степени.

Поскольку чрезвычайные ситуации природного характера и техногенные чрезвычайные ситуации имеют свою специфику, рассмотрим методики прогнозирования их последствий раздельно.

Пожар разлития

При нарушении герметичности сосуда, содержащего сжиженный горючий газ или жидкость, часть (или вся) жидкости может заполнить поддон или обваловку, растечься по поверхности грунта или заполнить какую-либо естественную впадину.

Если поддон или обваловка имеют вертикальный внутренний откос, то глубину заполнения h (м) можно найти по формуле:

                                                                                   (1.56)

где m_ж, r_ж – масса и плотность разлившейся жидкости; F_под – площадь поддона.

При авариях в системах, не имеющих защитных ограждений, происходит растекание жидкости по грунту и (или) заполнение естественных впадин. Обычно при растекании на грунт площадь разлива ограничена естественными и искусственно созданными границами (дороги, дренажные канавы и т.п.), а если такая информация отсутствует, то принимается толщина разлившегося слоя, равной h = 0,05 м, и определяется площадь разлива F_раз (м²), по формуле

.                                                                                (1.57)

Отличительной чертой пожаров разлития является «накрытие» (рис.1.3) с подветренной стороны, которое может составлять 25-50% диаметра обвалования ().

Пламя пожара разлития при расчете представляется в виде наклоненного по направлению ветра цилиндра конечного размера (рис. 1.3), причем угол наклона θ зависит от безразмерной скорости ветра W_в:

                                                                                 (1.58)

 

 

Рис.1.3 Расчетная схема пожара разлития

 

Геометрические параметры факела пожара разлития находятся по формуле Томаса:

                                                                            (1.59)

Здесь – безразмерная скорость ветра; m_выг – массовая скорость выгорания, кг/(м²·с); r_п, r_в – плотность пара и воздуха, соответственно, кг/м²; g – ускорение силы тяжести, м/с² ; D – диаметр зеркала разлива, м; w – скорость ветра, м/с.

Эмпирические коэффициенты в формуле Томаса (а = 55; b = 0,67 и С = – 0,21) получены по результатам экспериментов, выполненных для широкого диапазона изменения параметров: 10^–3   L/D  10; 10^–6 <10-2 

Скорость выгорания жидкостей определяют, как правило, экспериментально. Для экспертной оценки скорости выгорания m_{выг ,} (кг/(м²·с)) можно воспользоваться эмпирической формулой

                                                                                                    (1.60)

где r_ж – плотность жидкости, кг/м³;   – низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг; L _исп – скрытая теплота испарения жидкости, Дж/кг; С – коэффициент пропорциональности, значение которого, равное 1,25×10-6 м/с, получено путем обработки многочисленных экспериментальных данных по выгоранию большинства органических жидкостей и их смесей (рис.1.4).

 

              m _выг, кг/(м²с).

0,12   0,08   0,04					12
				8	11
		5	6	9	10
		4	7
1	2	3

                            0                      40                      80     r_ж / L _исп

 

Рис. 1.4 Обобщение экспериментальных данных по скорости выгорания различных жидкостей:

1 – метанол; 2 – диэтилентриамин; 3 – ацетон; 4 - диметилгидрозин; 5 – ракетное топливо; 6 – ксилол; 7 – бензин; 8 – бензол; 9 – гексан; 10 – бутан; 11 – сжиженный природный газ; 12 – сжиженный нефтяной газ

 

Плотность теплового потока, падающего на элементарную площадку, расположенную на уровне грунта, (рис.1.3) q^пад (кВт/м²) вычисляется по формуле:

                                                    (1.61)

где  – угловой коэффициент излучения с площадки на боковой поверхности пламени пожара разлива на единичную площадку, расположенную на уровне грунта (рис.1.3), определяемый по графику на рис.1.5; q^соб  - средняя по поверхности плотность потока собственного излучения пламени, кВт/м².

Для ориентировочных расчетов можно принять значения q ^соб (кВт/м²), приведенные в таблице 1.15

Таблица 1.15 -- значения q ^соб (кВт/м²) для ряда веществ

Вещества	q соб ,(кВт/м2)	Вещества	q соб ,(кВт/м2)
сжиженный природный газ (метан)	150…170	нефть	60…80
сжиженный нефтяной газ	50…60	мазут	50…70
бензин	120…140	керосин	80..100

 

 

j

Рис.1.5. Зависимость углового коэффициента излучения φ с цилиндрического пламени пожара разлития на элементарную площадку от R/ r

Пример 5. На нефтеперекачивающей станции расположен резервуар РВС – 20000 в обваловке, имеющей квадратную форму со стороной а = 80 м. Высота обваловки рассчитана на удержание всего объема нефти, находящейся в резервуаре, при аварийном разлитии. Радиус резервуара R_рез = 22,81 м, высота Н_рез = 11,9 м. Фактический объем резервуара V_факт = 19450 м³, объем нефти при заполнении резервуара на 80% равен V_неф = 0,8·19450 = 15560 м³.

В результате разрушения резервуара и разлива нефти возник пожар. Скорость ветра равна 3 м/с.

Определить размеры безопасной для персонала зоны.

Р е ш е н и е.

1. По условию при полном разрушении резервуара нефть полностью заполняет обваловку, имеющую площадь F_обв

F _обв = а ² = 80² = 6400 м².

2. Найдем геометрические размеры пламени пожара разлития, условно принимаемого в виде наклонного цилиндра, предварительно определив:

диаметр зеркала разлива

 м;

r = 90/2 = 45м;

плотность паров нефти заимствуем из примера 3

_п = 9,9 кг/м³;

безразмерную скорость ветра (при m_выг = 0,04 кг/(м²с)).

W _в = 3,0 (0,04·9,8·90 / 9,9) ^-1/3  = 1,96.

Теперь по формуле (1.59) найдем

,

т.е. высота пламени пожара разлития составит

L = 90·0,48 = 43 м.

3. По формуле (1.58) определим косинус угла наклона пламени пожара разлития

cos θ = 0,75 1,97 ^-0,49  = 0,53,

т.е. θ= 58⁰.

4. Плотность потока теплового излучения пламени пожара разлития, падающего на элементарную площадку, найдем по формуле (1.61), определяя угловые коэффициенты излучения  по графику на рис.1.5 для различных расстояний R от центра пламени (результаты расчетов сведены в таблицу), приняв для простоты расчета линию соответствующую L/ r = 43/45 ≈ 1

R / r	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5
R, м	45	68	90	110	135	160	180	200	225	250
	1,0	0,74	0,48	0,30	0,20	0,18	0,13	0,10	0,08	0,07

По формуле (1.61) на разных расстояниях от границы пламени плотности падающего теплового потока при q ^соб = 60 кВт/м² будут равны

R, м	45	68	90	110	135	160	180	200	225	250
q пад, кВт/м2	60	43	28	17	12	8,3	7,1	5,4	4,2	3,6

Из результатов расчетов следует, что безопасным для персонала будет расстояние от обваловки R = 250 м, где плотность падающего теплового потока q^пад будет меньше 4,0 кВт/м².

5. Вероятность летального поражения человека тепловым излучением Р_пор на разных расстояниях от границы пламени найдем по табл.П.1.1, определив величину пробит-функции по формуле 3 в табл. (1.14)

R, м	45	68	90	110	135	160	180	200	225	250
Pr	14	12,8	11	9,1	7,5	6,3	4,7	3,2	1,5	1,0
Рпор,%	100	100	100	100	99,4	90	38	4	0	0

Как видно из данных расчетов, радиус зоны безопасности (0% погибших) равен примерно 225 м от границ пламени, что примерно соответствует значению, полученному при использовании детерминированного подхода.

Варианты исходных данных для расчета пожаров разлития приведены в табл. П.2.5.

Здания и сооружения портов