事故后果模拟分析.docx
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事故后果模拟分析
2.2事故后果模拟分析法
火灾、爆炸、中毒是常见的重大事故,经常造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失,影响社会安定。
这里重点介绍有关火灾、爆炸和中毒事故(热辐射、爆炸波、中毒)后果分析,在分析过程中运用了数学模型。
通常一个复杂的问题或现象用数学模型来描述,往往是在一个系列的假设的前提下按理想的情况建立的,有递增模型经过小型试验的验证,有的则可能与实际情况有较大出入,但对辨识危险性来说是可参考的。
2.2.1泄漏
由于设备损坏或操作失误引起泄漏,大量易燃、易爆、有毒有害物质的释放,将会导致火灾、爆炸、中毒等重大事故发生,因此,后果分析由泄漏分析开始。
2.2.1.1泄漏情况分析
2.1.1.1.1泄漏的主要设备
根据各种设备泄漏情况分析,可将工厂(特别是化工厂)中易发生泄漏的设备归纳为以下10类:
管道、挠性连接器、过滤器、阀门、压力容器或反应器、泵、压缩机、储罐、加压或冷冻气体容器,火炬燃烧装置或放散管等。
⑴管道。
它包括管道、法兰和接头,其典型情况和裂口尺寸分别取管径
的20%-100%20痢20%-100%
⑵挠性连接器。
它包括软管、波纹管和铰接器,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:
1连接器本体破裂泄漏,裂口尺寸取管径的20%-100%
2接头处的泄漏,裂口尺寸取管径的20%
3连接装置损坏泄漏,裂口尺寸取管径的100%
⑶过滤器。
它由过滤器本体、管道、滤网等组成,其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20%-100%和20%。
⑷阀。
其典型泄漏情况和裂口尺寸为:
1阀壳体泄漏,裂口尺寸取管径的20%-100%
2阀盖泄漏,裂口尺寸取管径的20%
3阀杆损坏泄漏,裂口尺寸取管径的20%
⑸压力容器或反应器。
包括化工生产中常用的分离器、气体洗涤器、反
应釜、热交换器、各种罐和容器等。
其常见的此类泄漏情况和裂口尺寸为:
1容器破裂而泄漏,裂口尺寸取容器本身尺寸;
2容器本体泄漏,裂口尺寸取与其连接的粗管道管径的100%
3孔盖泄漏,裂口尺寸取管径的20%
4喷嘴断裂而泄漏,裂口尺寸取管径的100%
5仪表管路破裂泄漏,裂口尺寸取管径的20%-100%
6容器内部爆炸,全部破裂。
⑹泵。
其典型泄漏情况和裂口尺寸为:
1泵体损坏泄漏,裂口尺寸取与其连接管径的20%-100%
2密封压盖处泄漏,裂口尺寸取管径的20%
⑺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:
1压缩机机壳损坏而泄漏,裂口尺寸取与其连接管道管径的20%-
100%
2压缩机密封套泄漏,裂口尺寸取管径的20%
⑻储罐。
露天储存危险物质的容器或压力容器,也包括与其连接的管道和辅助设备,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:
1罐体损坏而泄漏,裂口尺寸为本体尺寸;
2接头泄漏,裂口尺寸为与其连接管道管径的20%-100%
3辅助设备泄漏,酌情确定裂口尺寸。
⑼加压或冷冻气体容器。
包括露天或埋地放置的储存器、压力容器或运输槽车等,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:
1露天容器内部气体爆炸使容器完全破裂,裂口尺寸取本体尺寸;
2容器破裂而泄漏,裂口尺寸取本体尺寸;
3焊接点(接管)断裂泄漏,取管径的20%-100%
⑽火炬燃烧器或放散管。
它们包括燃烧装置、放散管、多通接头、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%
表2-1典型泄漏情况和裂口尺寸取值表
序号
设备
典型泄漏情况
裂口尺寸取值
1
管道
包括管道、法兰和接头
管道泄漏
管径的20%-100%
法兰泄漏
管径的20%
接头泄漏
管径的20%-100%
2
绕性连接器
包括软管、波纹管和铰接器
连接器本体破裂泄漏
管径的20%-100%
接头处的泄漏
管径的20%
连接装置损坏泄漏
管径的100%
3
过滤器
由过滤器本体、管道、滤网等组成
本体泄漏
管径的20%-100%
管道泄漏
管径的20%-100%
滤网泄漏
管径的20%
4
阀
阀壳体泄漏
管径的20%-100%
阀盖泄漏
管径的20%
阀杆损坏泄漏
管径的20%
5
压力容器或反应器
包括化工生产中常用的分离器、气体洗涤器、反应釜、热交换器、各种罐和容器等
容器破裂而泄漏
容器本身尺寸
容器本体泄漏
与其连接的粗管道管径的
100%
孔盖泄漏
管径的20%
喷嘴断裂而泄漏
管径的100%
仪表管路破裂泄漏
管径的20%-100%
容器内部爆炸
全部破裂
6
泵
泵体损坏泄漏
与其连接管径的20%-100%
密封压盖处泄漏
管径的20%
7
压缩机
包括离心式、轴流式和往复式压缩机
压缩机机壳损坏泄漏
与其连接管径的20%-100%
压缩机密封套泄漏
管径的20%
8
储罐
露天储存危险物质的容器或压力容器
罐体损坏而泄漏
裂口尺寸为本体尺寸
接头泄漏
与其连接管道管径的20%-
100%
辅助设备泄漏
酌情确定裂口尺寸
9
加压或冷冻气体容器
包括露天或埋地放置的储存器、压力容器或运输槽车等
露天容器内部气体爆炸使容器完全破裂
本体尺寸
容器破裂而泄漏
本体尺寸
焊接点(接管)断裂泄漏
管径的20%^100%
10
火炬燃烧器或放散管
包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗涤器和分离罐等
筒体和多通接头部位泄漏
管径的20%-100%
2.1.1.1.2造成泄漏的原因
从人-机系统来考虑造成各种泄漏事故的原因主要有四类:
⑴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,如压缩机和输出管道没有弹性连接,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、储槽未加液位计,反应器(炉)未加溢流管或放散管等。
⑵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,特别是不具有操作证的焊工焊接质量差;
3施工和安装精度不高,如泵和电动机不同轴,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对安装的设备未按《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。
⑶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。
⑷人为失误
1误操作,违反操作规程;
2判断失误,如记错阀门位置或开错阀门;
3擅自离岗;
4思想不集中;
5发现异常现象不知如何处理;
2.1.1.1.3泄漏后果
泄漏一旦出现,其后果不单与物质的数量、易燃性、毒性有关,而且与泄漏物质的相态、压力、温度等状态有关。
这些状态可有多种不同的结合,在后果分析中,常见的可能结合有4种:
①常压液体;
②加压液化气体;
3低温液化气体;
4加压气体。
泄漏物质的物性不同,其泄漏后果也不同。
⑴可燃气体泄漏
可燃气体泄漏后与空气混合达到爆炸极限时,遇到引火源就会发生燃烧
或爆炸。
泄漏后起火的时间不同,泄漏后果也不相同。
①立即起火。
可燃气体从容器中往外泄出时即被点燃,发生扩散燃烧,产生喷射性火焰或形成火球,它能迅速地危及泄漏现场,但很少会影响到厂区的外部。
②泄后起火。
可燃气体泄出后与空气混合形成可燃蒸气云团,并随风
飘移,遇火源发生爆炸或爆轰,能引起较大范围的破坏。
⑵有毒气体泄漏
有毒气体泄漏形成云团在空气中扩散,有毒气体的浓密云团将笼罩很大的空间,影响范围大。
⑶液体泄漏
一般情况下,泄漏的液体在空气中蒸发而生成气体,泄漏后果与液体的性质和储存条件(温度、压力)有关。
1常温常压下液体泄漏。
这种液体泄漏后聚集在防液堤内或地势低洼处形成液池,液体由于持表面风的对流而缓慢蒸发,若遇引火源就会发生池火灾。
2加压液化气体泄漏。
一些液体泄漏时将瞬间蒸发,剩下的液体将形成一个液池,吸收周围的热量继续蒸发。
液体瞬时蒸发的比例决定于物质的性质及环境温度。
有些泄漏物可能在泄漏过程中全部蒸发。
3低温液体泄漏。
这种液体泄漏时将形成液池,吸收周围热量蒸发,蒸发量低于加压液化气体的泄漏量,高于常温常压下液体的泄漏量。
无论是气体泄漏还是液体泄漏,泄漏量的多少都是决定后果严重程度的主要因素,而泄漏量又与泄漏时间长短有关。
2.2.1.2泄漏量的计算
当发生泄漏的设备的裂口是规则的,而且裂口尺寸及泄漏物质的有关
热力学、物理化学性质及参数已知时,可根据流体力学中的有关方程式计算泄漏量。
当裂口不规则时,可采取等效尺寸代替;当遇到泄漏过程中压力变化等情况时,往往采用经验公式计算。
(1)液体泄漏计算
液体泄漏速度可用流体力学的伯努利方程计算,其泄漏速度为:
Qo=CdAp2PPo2gh\p
Q二CAp(2[p+P0]/p+2gh)1/2
(1)
式中Qo液体泄漏速度,kg/s;
Cd――液体泄漏系数,按表2-1选取;
a――裂口面积,m;
p泄漏液体密度,您/m3;
p——容器内介质压力,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
表2-2液体泄漏系数Cd
雷诺数(Re)
裂口形状
圆形(多边形)
三角形
长方形
>100
0.65
0.60
0.55
<100
0.50
0.45
0.40
对于常压下的液体泄漏速度,取决于裂口之上液位的高低;对于非常压下的液体泄漏速度,主要取决于容器内介质与环境压力之差和液位高低。
当容器内液体是过热液体,即液体的沸点低于周围环境温度,液体流过裂口时由于压力减小而突然蒸发。
蒸发所需热量取自于液体本身,而容器内剩下液体的温度将降至常压沸点。
在这种情况下,泄漏时直接蒸发的液体所占百分比F可按下式计算:
F二Cp(T-T°)/H
(2)
式中Cp液体的定压比热,J/kg•K;
T――泄漏前液体的温度,K;
T0――液体在常压下的沸点,K;
H――液体的气化热,J/kg;
按式
(2)计算的结果,几乎总是在0〜1之间。
事实上,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蒸发。
如果空气传给液体烟雾的热量不足以使其蒸发,有一些液体烟雾将凝结成液滴降落到地面,形成液池。
根据经验,当F>0.2时,一般不会形成液池;当FV0.2时,F与带走液体之比有线性关系,即当F=0时没有液体带走(蒸发),当
F=0.1时有50%勺液体被带走。
(2)气体泄漏量计算气体从裂口泄漏勺速度与其流动状态有关。
因此,计算泄漏量时首先要判断泄漏时气体流动属于音速还是亚音速流动,前者称为临界流,后者称为次临界流。
当式(3)成立时,气体流动属音速流动:
p0/p<[2/(k+1)]k/(k-1)(3)
当式(4)成立时,气体流动属亚音速流动:
P0/P>[2/(k+1)]k/(k-1)(4)
式中p。
、p——符号意义同前;
k气体的绝热指数,即定压比热Cp与定容比热Cv之比。
气体呈音速流动时,其泄漏量为:
Q=GAp[(Mk/RTx(2/(k+1))k+1/(k-1)]1/2(5)
气体呈亚音速流动时,其泄漏量为:
Q=YCAp[(Mk/RT)X(2/(k+1))k+1/(k-1)]1/2(6)
上两式中Cd――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,它由下式计算:
Y={(1/(k-1))((k+1)/2)k+1/k-1(p°/p)2/k[1-(p°/p)(k-1)/k]}1/2(7)
M分子量;
p――气体密度,kg/m3;
R――气体常数,J/mol?
K;
T――气体温度,K。
当容器内物质随泄漏而减少或压力降低而影响泄漏速度时,泄漏速度的
计算比复杂。
如果流速小或时间短,在后果计算中可采用最初排放速度,否则应计算等效泄漏速度。
(3)两相流动泄漏量计算在过热液体发生泄漏时,有时会出现气、液两相流动。
均匀两相流动的泄漏速度可按下式计算:
Q0=CdA[2p(p-pc)]1/2
式中Q――两相流动混合物泄漏速度,kg/s;
Cd――两相流动混合物泄漏系数,可取0.8;
A――裂口面积,m2;
p――两相混合物的压力,Pa;
pc――临界压力,Pa,可取pc=0.55Pa;
p——两相混合物的平均密度,kg/m3,它由下式计算:
9)
10)
p=1/(Fv/p1+(1-Fv)/p2)
液体蒸发的蒸气密度,kg/m3;
p2――液体密度,kg/m3;
Fv——蒸发的液体占液体总量的比例,它由下式计算:
Fv=Cp(T-Tc)/H
Cp――两相混合物的定压比热,J/kg?
K;
Tc
两相混合物的温度,K;临界温度,K;
H――液体的气化热,J/g。
当F>1时,表面液体将全部蒸发成气体,这时应按气体泄漏公式计算;如果Fv很小,则可近似按液体泄漏公式计算。
2.2.1.3泄漏后的扩散
如前所述,泄漏物质的特性多种多样,而且还受原有条件的强烈影响,但大多数物质从容器中泄漏出来后,都可发展成弥散的气团向周围空气扩散。
对可燃气体若遇到引火源会着火。
这里仅讨论气团圆形释放的开始形式,即液体泄漏后扩散、喷射扩散和绝热扩散。
关于气团在大气中扩散属环境保
护范畴,在此不予考虑。
1)液体的扩散
液体泄漏后立即扩散到地面,一直流到低洼处或人工边界,如防火堤、岸墙等,形成液池。
液体泄漏出来不断蒸发,当液体蒸发速度等于泄漏速度时,液池中的液体量将维持不变。
如果泄漏的液体时是低挥发度的,则从液池中蒸发量较少,不易形成气团,对厂外人员没有危险;如果着火则形成池火灾;如果渗透进土壤,有可能对环境造成影响。
如果泄漏的时挥发性液体或低温液体,泄漏后液体蒸发量大,大量蒸发在液池上面后会形成蒸气云并对扩散到厂外,对厂外人员有影响。
(1)液池面积
如果泄漏的液体已达到人工边界,则液池面积即为人工边界围成的面积。
如果泄漏的液体未达到人工边界,则将假设液体的泄漏点为中心呈扁圆柱形在光滑表面上扩散,这时液池半径r用下式计算:
瞬时泄漏(泄漏时间不超过30s)时:
一如才(11
np
连续泄漏(持续泄漏10min以上)时:
r=(32gmf/np)1/4(12)
上述两式中:
r—液池半径,m
m泄漏的液体质量,kg;
g――重力加速度,9.8m/s2;
p——设备中液体压力,Pa;
t――泄漏时间,s;
(2)蒸发量
液池内液体蒸发按其机理可分为闪蒸、热量蒸发和质量蒸发三种。
下面分别介绍