Прогнозирование и оценка обстановки при авариях, сопровождающихся пожарами

Основным поражающим фактором пожаров является термическое воздействие, обусловленное тепловым излучением пламени.

Термическое воздействие определяется величиной плотности потока поглощенного излучения q^погл (кВт/м²₎  и временем теплового излучения τ (с).

Плотность потока поглощенного излучения q^погл, связана с плотностью потока падающего излучения q^пад соотношением q^погл = q^пад, где  - степень черноты (поглощательная способность) тепловоспринимающей поверхности. Чем ниже степень черноты (больше отражательная способность), тем меньше при прочих равных условия величина q^погл (далее q, кВт/м²).

Человек ощущает сильную («едва переносимую») боль, когда температура верхнего слоя кожи превышает 45 ^оС. Время достижения «порога боли» τ (с), определяется по формуле

                                                                                       (1.53)

Различают три степени термического ожога кожи человека (табл.1.12).

Таблица 1.12 -- Характеристика степеней ожога кожи человека

Степень ожога	Повреждаемый слой	Характеристика	Доза воздействия qt, кДж/м^2
I	Эпидермис	Покраснение кожи	Менее 42
II	Дерма	Волдыри	42-84
III	Подкожный слой	Летальный исход при поражении более 50% кожи	Более 84

 

Время воспламенение горючих материалов τ (с) при воздействии на них теплового потока плотностью q (кВт/м²), определяется по формуле

                                                                                  (1.54)

где q_кр – критическая плотность теплового потока, кВт/м²; A, n – константы для конкретных материалов (например для древесины A = 4300, n = 1,61).

Значения q_кр для разных материалов и результаты расчета по формуле (1.54) приведены в табл.П.1.4

При использовании детерминированного подхода к определению степени термического поражения можно использовать ниже приведенные значения плотности теплового потока:

-37 кВт/м² - разрушение соседних емкостей, зона смертельного поражения (вероятность смертельного исхода 90% при длительности экспозиции 30 сек);

-12 кВт/м² - воспламенение деревянных конструкций, зона сильных ожогов (вероятность смертельного исхода 15%, вероятность ожогов второй степени 50% при длительности экспозиции 30 сек);

-10,5 кВт/м² - обгорание краски на окрашенных металлических конструкциях, обугливание деревянных конструкций, воспламенение резины, одежды и тканей при длительном тепловом воздействии;

-8,4 кВт/м² - вспучивание краски на окрашенных металлических конструкциях, разложение деревянных конструкций, обугливание резины, одежды и тканей при длительном тепловом воздействии;

-4 кВт/м² - безопасные для объектов расстояния, зона слабого поражения людей (вероятность ожогов первой степени 10% при длительности экспозиции 30 сек).

При воздействии на людей открытого пламени вероятность их смертельного поражения, как правило, принимается равной единице.

При пожарах в резервуарных парках наибольшую опасность представляет термическое воздействие на соседние резервуары. Оно может вызвать как взрыв резервуара (с возможным образованием огненного шара), так и их повреждение с последующей утечкой и возгоранием содержимого (табл.1.13).

Таблица 1.13 -- Зависимость времени воспламенения τ резервуара с нефтепродуктами от величины плотности потока теплового излучения q

q, кВт/м^2	34,9	27,6	24,8	21,4	19,9	19,5
τ, с	5	10	15	20	29	более 30

 

При применении вероятностного подхода к определению поражающего фактора теплового воздействия на человека значения Р_пор определяются по табл.П.1.1 с использованием следующих выражений для пробит-функции Pr (табл.1.14)

Таблица 1.14 -- Выражения пробит-функций при различных степенях термического поражения человека

№	Степень поражения	Формула пробит-функции
1	Ожог первой степени	- 4,09 + 3,0186ln(q ^4/3 )
2	Ожог второй степени	- 12,43 + 3,0186ln(q ^4/3 )
3	Летальное поражение	- 9,5 + 2,56ln(q ^4/3 )
Примечание: q – кВт/м^2; - сек.

 

Время термического воздействия (с) для случаев пожара разлития и горения здания (сооружения, штабеля и т.п.) равно

,                                                                                           (1.55)

где ₀ – характерное время обнаружения пожара (допускается принимать 5 с); х – расстояние от места расположения человека до зоны, где плотность потока теплового излучения не превышает 4 кВт/м², м; u – скорость движения человека (допускается принимать 5 м/с).

Для случая огненного шара время термического воздействия принимается равным времени существования огненного шара.

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/м^2)	Вещества	q ^соб,(кВт/м^2)
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/м^2	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.