Техносферная безопасность / Akimov - Katastrofi i bezopasnost 2006

Глава 13

может быть вызвано старением материалов и оборудования, а также нарушением правил их эксплуатации.

Эта причина вызывает особое беспокойство, учитывая, что к настоящему времени в России для потенциально опасных объектов и производств характерна существенная выработка проектного ресурса. Повсеместно наблюдается значительный износ оборудования. В табл. 3.7 представлены некоторые данные, полученные учеными Российской академии наук на основе проведенного анализа [11].

Нельзя исключать сегодня взрывов хранилищ, складов и арсеналов и в результате террористических актов.

Основываясь на представлениях, изложенных в ряде литературных источников [10, 14, 39, 44], дадим общую характеристику пожаров на пожароопасных объектах. Эта характеристика необходима для рассмотрения основных параметров и поражающих факторов пожаров, а также при принятии решений по обеспечению безопасности.

Таблица 3.7

Характеристика состояния потенциально опасных объектов по выработке ресурса

Степень использования ресурса	Относительное количество объектов
Более 0,50	60%
До 0,75	20%
До 1,0	15%
Более 1,0	5%

Пожар по сути своей представляет достаточно сложное явление, обусловленное протеканием и развитием во времени и пространстве процессов горения, массо-

итеплообмена. При этом безусловно определяющим процессом является горение.

Внекоторых случаях при пожарах, как отмечалось выше, может происходить вскипание и выброс, например, нефтепродуктов из резервуаров, а при определенных условиях могут возникать и взрывы.

Заметим, что в данном случае взрыв по своей сути представляет химический взрыв, т.к., в отличие от так называемого физического взрыва, он сопровождается химическими превращениями с выделением тепла и продуктов горения. Известно, что к химическим взрывам относятся взрывы газовоздушных облаков, конденсированных взрывчатых веществ и пылевые взрывы.

Врассматриваемом случае речь как раз и идет о взрыве газовоздушной (топ- ливно-воздушной) смеси, образующейся в замкнутом объеме (в резервуаре), который сопровождается химическими превращениями.

Наиболее часто взрыв инициируется искрой, в том числе в результате накопления статического электричества. Такого рода электрическая искра может возникать в самых неожиданных местах и при разных обстоятельствах (на стенках цистерн с топливом, при ударе, при трении и т.п.).

Взрыв топливно-воздушной смеси обладает высокой бризантностью, т.е. способностью производить разрушение среды, соприкасающейся с областью взрыва.

Причиной вскипания и выброса нефтепродуктов при пожарах на складах горючего является, как правило, наличие воды в этих продуктах. В этом случае

231

Раздел III

происходит бурное горение вспенившейся массы, резкое увеличение температуры (до 15 000 ° С) и размеров пламени, выброс нефтепродуктов из резервуаров. Тысячи тонн нефтепродуктов могут быть выброшены на расстояние, составляющее восемь и более диаметров емкости. При этом площадь горения может быть равной нескольким тысячам квадратных метров.

Исходя из возможных вариантов общей схемы развития аварий на пожароопасных объектах, следует сделать вывод о том, что при рассмотрении поражающих факторов такого рода аварий необходимо выделить два основных варианта:

—пожар в хранилищах нефтепродуктов и горючих жидкостей без выброса или

свыбросом продуктов из емкостей;

—пожар со взрывом топливно-воздушной смеси.

Далее представляется целесообразным остановиться на факторах риска пожаров без взрывов и пожаров, сопровождающихся взрывами образующейся топлив- но-воздушной смеси.

Учет особенностей и количественная оценка этих факторов риска имеют важное практическое значение при: разработке требований по предупреждению возникновения пожаров и взрывов, а также к средствам локализации и ликвидации пожаров; обоснованиях целесообразных превентивных мер и организации ликвидаций последствий аварий рассматриваемого вида; подготовке и оценке альтернативных вариантов управленческих решений на действия сил и средств, привлекаемых к ликвидации аварии и нормализации обстановки.

Пожары без взрывов

При пожарах рассматриваемого вида в пространстве, где произошел и развивается пожар, условно может быть выделено три зоны: горения, теплового воздействия, задымления.

В зоне горения протекают процессы термического разложения, испарения, например, нефтепродуктов в объеме диффузионного факела пламени. Границей зоны горения является поверхность горящего продукта и тонкий светящийся поверхностный слой пламени, где происходит реакция окисления. Необходимо заметить, что интенсивность горения определяется не скоростью протекания самой реакции окисления, а скоростью поступления кислорода из окружающего пространства в зону горения. Это объясняется тем, что скорость протекания химических реакций горения нефтепродуктов значительно превосходит скорость таких физических процессов, как диффузия компонентов, участвующих в реакции, и передача теплоты из зоны горения горючим веществам для подготовки их к химическому взаимодействию. Таким образом, лимитирующими процессами при горении являются диффузия и теплопередача, а процессы горения при пожаре развиваются в чисто диффузионной области. Это обстоятельство имеет важное практическое значение при решении вопросов снижения рисков пожаров.

Зона теплового взаимодействия примыкает к границе зоны горения. В этой части пространства протекают процессы теплопередачи, обусловливающие формирование одного из самых важных поражающих факторов при пожаре — облучение людей и объектов окружающей среды тепловым излучением.

Тепло, выделяющееся при горении нефтепродуктов и других легковоспламеняющихся веществ, расходуется на их подготовку к участию в процессе горения (на разложение и испарение). Считается, что эти расходы в среднем составляют 3% от всего тепловыделения. Остальные 97% отводятся из зоны горения в окружающее

232

Глава 13

пространство. Эта теплопередача осуществляется путем конвекции, прямого излучения и теплопроводности.

Необходимо отметить, что большая часть тепла передается путем конвекции. Например, при горении бензина в резервуаре на конвективный перенос тепла падает 57–62 %. При пожарах внутри зданий и сооружений продукты сгорания, имеющие высокую температуру, конвективными потоками переносятся по всему лабиринту коридоров и помещений, передавая тепло встречающимся на их пути материалам и конструкциям, повышая их температуру до критических значений и вызывая возгорание.

Передача тепла излучением наиболее характерна для наружных пожаров. Мощное излучение тепла происходит при горении горючих жидкостей в резервуарах с образованием наружного пламени. В этом случае на значительные расстояния может передаваться от 30 до 40% тепла. Следует иметь в виду, что чем больше поверхность пламени, меньше степень его черноты, тем выше температура горения и большая часть тепла передается путем излучения.

При пожарах в замкнутых объемах и ограждениях действие теплового излучения на окружающую среду ограничивается возникающими на его пути экранами.

Путем теплопроводности передача тепла происходит главным образом при внутренних пожарах. Теплопередача осуществляется через конструктивные элементы и ограждения хранилищ нефтепродуктов, топлива и других горючих жидкостей. При пожарах горючих жидкостей в резервуарах тепло этим способом передается нижним слоям этих жидкостей. При этом создаются условия для их вскипания и выброса.

Зона задымления при пожарах нефтепродуктов и других видов жидкого горючего примыкает к зоне горения. Название зоны в известном смысле условно, т.к. под ней обычно понимается не все то пространство, охваченное дымом, а только его часть, где невозможно пребывание людей без средств защиты органов дыхания. Границами зоны задымления считаются изолинии с концентрацией аэродисперсной фазы дыма 10 кг/м3, видимостью предметов 6–12 метров и концентрацией кислорода не менее 16%. Нахождение людей без средств защиты органов дыхания на границе зоны безопасно.

В динамике любого пожара важную роль играет интенсивность газообмена, так как лимитирующей стадией процесса горения при пожаре, что отмечалось выше, как правило, является диффузионный перенос кислорода к поверхности зоны горения.

Говоря об интенсивности газообмена при пожарах прежде всего имеют в виду скорость притока воздуха к зоне горения. Вполне понятно, что продукты горения, нагретые в зоне реакции и обладающие меньшей плотностью, чем поступающий в зону горения воздух, занимаются вверх и создают избыточное давление. В нижней же части резервуара (помещения), где происходит горение или вблизи подстилающей поверхности, если горят вылившиеся из хранилища нефтепродукты или другое горючее, из-за убыли и снижения парциального давления кислорода в воздухе, участвующего в реакции окисления, создается зона пониженного давления. Высоту, на которой давление равно атмосферному, называют «уровнем равных давлений».

Процесс развития пожара на рассматриваемых объектах может быть охарактеризован рядом физических и геометрических параметров, которые необходимо принимать во внимание при оценке его опасности для людей и окружающей среды.

Анализ указанных ранее публикаций по вопросам противопожарной защиты и пожарной тактики показывает, что к числу этих характеристик и параметров можно отнести:

233

Раздел III

—вид пожара (в замкнутом объеме или открытый);

—пожарная нагрузка, т.е. количество тепловой энергии, которое может быть выделено при сгорании нефтепродуктов или другого горючего, содержащегося на аварийном объекте;

—интенсивность выделения тепла на пожаре, т.е. количество тепловой энергии, выделяющейся за единицу времени, которое зависит от количества поступающего воздуха;

—массовая скорость выгорания этих продуктов (определяется интенсивностью испарения в зоне горения);

—площадь горения;

—площадь пожара;

—фронт пожара;

—линейная скорость распространения горения;

—период развития пожара.

Методы определения количественных значений приведенных выше параметров достаточно подробно освещены в специальной литературе [1, 14, 39, 44, 79].

На основе представлений, изложенных в этих и других публикациях, представляется возможным определить основные явления и параметры, которые характеризуют возникающие опасности и поражающие действия на людей и окружающую среду при пожарах на складах нефтепродуктов и других легковоспламеняющихся веществ.

К числу таких явлений, которые могут быть названы «поражающими факторами», следует отнести:

—облучение людей и объектов окружающей среды тепловым излучением высокой интенсивности из зоны горения;

—воздействие на людей и объекты окружающей среды высокотемпературного поля, формирующегося в зонах распространения и поглощения средой теплового излучения, конвективного движения горячих продуктов горения, передачи тепла путем теплопроводности;

—загрязнение воздуха токсичными продуктами горения и обеднение его кислородом до уровней ниже порогового в зонах теплового взаимодействия и задымления.

Каждый из перечисленных поражающих факторов характеризуется определенными параметрами. В частности, облучение тепловым излучением может оцениваться по интенсивности облучения (плотности теплового потока), обычно выражаемой в кВт/м2, а также по количеству тепловой энергии, поступающей на единицу поверхности объекта за определенное время, которая, по сути, является тепловым импульсом. Можно провести некоторую аналогию между тепловым импульсом при пожаре и световым импульсом ядерного взрыва. При ядерном взрыве время светового излучения, включающего тепловое излучение, вполне определенное и зависит от мощности взрыва, при пожаре же время излучения равно времени существования зоны горения.

Тепловой импульс должен определяться по времени экспозиции объекта поражения.

Воздействие высокотемпературного поля оценивается по температуре в районе нахождения объекта поражения. Установлено, что при температуре равной, 80–100 °С в сухом воздухе и при 50–60 °С во влажном, человек без специальной теплозащиты может находиться лишь считанные минуты. Более высокая температура или длительное пребывание при указанных температурах приводят

кожогам, тепловым ударам, потере сознания и даже смертельным исходам.

234

Глава 13

Предельно допустимая температура нагревания незащищенных поверхностей кожи человека составляет 40 °С [18].

Интенсивность облучения объектов на том или ином расстоянии от зоны горения прежде всего зависит от интенсивности выделения тепла при пожаре, а также от расстояния, наличия преград на пути его распространения, включая и оптические неоднородности в атмосфере (аэрозоли, пыль и др.).

Если обозначить интенсивность теплового излучения из зоны горения через IЗГ, а интенсивность облучения объекта, поверхность которого перпендикулярна направлению на зону горения через Iо, и принять допущение, что эта зона является точечным источником, то взаимосвязь между IЗГ и Iо в соответствии с теорией

распространения оптического излучения выразится соотношением:
I 0	=	IЗГ	e−Rk,	(3.24)
		4π

где: R — расстояние от зоны горения до объекта;

k — коэффициент ослабления теплового излучения в задымленной атмосфере.

Следует заметить, что аппроксимация зоны горения точечным источником тем менееточна,чембольшеплощадьгорения.Например,припожарес выбросомнефтепродуктовиземкостейзонагоренияможетоказатьсявесьмарастянутойпоплощади.

Существуют более простые формулы, полученные с учетом некоторых допущений для усредненных условий горения нефтепродуктов и распространения теплового излучения из зоны горения и рекомендуемые для практического использования при прогнозировании возможных последствий пожаров [92]:

I		= 0,8I e−0,3R ; R = 33 n(1,25	IПФ	) .	(3.25)
	0
		ПФ

Iод

Здесь: IПФ — интенсивность теплового излучения с поверхности факела от горящих разлитий, а Iод — допустимая интенсивность облучения.

С помощью второй формулы представляется возможным определить расстояние, на котором интенсивность облучения будет равна допустимой величине. Необходимая для расчетов величина теплового потока из зоны горения может быть выбрана из табл. 3.8 [95].

Таблица 3.8

Тепловой поток (интенсивность теплового излучения) на поверхности факела от горящих разлитий

Горящее вещество	Тепловой поток, кВт/м2
Бензин	130
Дизельное топливо	130
Керосин	90
Нефть	80
Мазут	60
Метанол	35
Гексан	165

При известной величине интенсивности облучения на том или ином расстоянии от зоны горения представляется возможным сделать оценку ущерба,

235

Раздел III

наносимого здоровью людей. В частности, с помощью графика, представленного на рис 3.6, можно определить процент смертельных поражений людей, а пользуясь соответствующими формулами — расстояния от источника опасности и риска, на которых можно снизить потери и обеспечить безопасность людей.

Рис. 3.6. Процент смертельных исходов в зависимости от индекса дозы теплового излучения

Индекс дозы теплового излучения зависит от интенсивности и времени облучения. Для рассматриваемого вида пожара величину индекса дозы рекомендуется [14] определять по формуле:

i	4	,	(3.26)
	= 60I 3
д	0

где iд — индекс дозы.

236

Глава 13

При определенных тепловых импульсах при пожарах возникают ожоги открытых и защищенных одеждой участков кожи. Обычно различают четыре степени ожогов [57].

Ожог первой степени представляет собой поверхностное поражение кожных покровов, внешне выражающееся в покраснении (гиперемии) и отечности. Ожоговая рана, как правило, не образуется. Заживление обычно наступает в течение двух–четырех дней.

Ожог второй степени характеризуется образованием пузырей на фоне отечных кожных покровов. Через три–четыре дня серозное содержимое пузырей рассасывается, а в случае инфицирования образуются гноящиеся медленно заживающие раны.

Для ожога третьей степени характерно омертвление (некроз) глубоких слоев кожи. Заживление участков некроза происходит медленно и составляет по времени до нескольких месяцев.

Ожог четвертой степени приводит к обугливанию и необратимым изменениям всех мягких тканей, а иногда и костей. На месте ожогов образуются глубокие раны, как правило, не способные к самостоятельному заживлению. Если такой ожог охватывает более 10% кожной поверхности, возникает тяжелая ожоговая болезнь, несовместимая с жизнью.

Значения тепловых импульсов, при которых возникают ожоги той или иной степени, могут быть оценены на основе данных по поражающему действию светового излучения ядерного взрыва. Эти значения, полученные путем обобщения указанных данных и трансформированные на рассматриваемый случай, приведены в табл. 3.9 [92].

				Таблица 3.9
	Примерные значения тепловых импульсов,
	вызывающих ожоги кожи разной степени, кДж/м2
Степень	Открытые участки	Кожа, защищенная		Кожа, защищенная
ожога	кожи	летней одеждой		зимней одеждой
Первая	10–20	17,5		146,5
Вторая	16,7–37,6	41,8		167,0
Третья	33,5–50,2	62,8		209,0
Четвертая	более (33,5–50,2)	более 62,8		Более 209,0

Под воздействием интенсивного теплового излучения происходит возгорание и воспламенение горючих материалов. В табл. 3.10 для некоторых материалов приведены значения интенсивности тепловых потоков и времени облучения, при которых происходит воспламенение этих материалов [92].

237

Раздел III

					Таблица 3.10
Интенсивности излучения, вызывающие воспламенение материалов
		Интенсивность излучения (кВт/м2),
Материал	при которой происходит воспламенение
	15		180	300		900
Резина автомобильная	23		22	19		15
Слоистый пластик	–		22	15		15
Древесина	53		19	17		14

Данные, приведенные в таблицах, служат исходной информацией для проведения расчетов и обоснований на принятие превентивных мер по обеспечению безопасности тех или иных объектов.

Пожары со взрывом топливно-воздушной смеси

Вбольшинстве случаев при пожарах происходит двухфазовое диффузионное горение, при котором в незамкнутых объемах взрывов не происходит.

Однако в случае вспенивания и выбросов нефтепродуктов при пожарах в резервуарах и других хранилищах, а также при аварийном вскрытии нагретых при пожаре хранилищ, выбросе и интенсивном испарении углеводородных топлив

взамкнутое пространство, образуются топливно-воздушные смеси, в которых могут создаваться условия для протекания гомогенных экзотермических реакций горения. При этом в случае ламинарного режима движения газовоздушных масс распространение пламени при горении топливно-воздушной смеси происходит со скоростью, составляющей десятые доли метров в секунду, и образования ударной волны перед фронтом пламени не происходит.

Вреальных же условиях, как правило, происходит турбулизация движения газовоздушных масс, искривление и увеличение фронта пламени. При этом существенно возрастает скорость его распространения. При достижении скоростей распространения пламени десятков и сотен метров в секунду происходит взрывное, или дефлеграционное, горение. Генерируются ударные волны с максимальным давлением 20–100 кПа. При взрывном горении продукты горения могут нагреваться до температуры, равной 1500–3000 °С, а давление в закрытых системах может увеличиваться до 0,6–0,9 Мпа. Продолжительность реакции горения до формирования режима дефлеграционного (взрывного горения) составляет приблизительно для паров углеводородных топлив 0,2–0,3 с, для газов — 0,1 с [14].

При определенных условиях дефлеграционное горение трансформируется

вдетонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1000–5000 м/с [14]. При этом возникает ударная волна. Во фронте этой волны резко повышаются плотность, давление и температура топливно-воздушной смеси. В определенный момент при возрастании этих параметров смеси возникает детонационный взрыв.

Следует заметить, что причинами возникновения детонационного взрыва, кроме рассмотренной выше, могут быть точечный источник взрыва взрывчатого вещества, электрическая искра, локальный нагрев топливно-воздушной смеси до температуры самовоспламенения, облучение ультрафиолетовым излучением и др. [14].

238

Глава 13

Характерная особенность детонационного взрыва состоит в том, что большая часть энергии взрыва переходит в ударную волну, в то время как при дефлаграционном горении, например, при скорости распространения пламени 200 м/с, в ударную волну трансформируется только 30% энергии.

Необходимо иметь в виду, что во взрывных превращениях, даже в замкнутых объемах, участвует лишь определенная доля топлива, содержащегося в топливновоздушном облаке. Для горючих жидкостей эта доля составляет — 0,3, для паров легковоспламеняющихся жидкостей — 0,5 [14]. Для паровых облаков в незамкнутом пространстве при большой массе горючих веществ их доля участия во взрыве совсем мала и составляет примерно 0,1.

Для оценки взрывоопасности тех или иных структурных элементов хранилищ нефтепродуктов и других горючих жидкостей производится их категорирование в зависимости от массы парогазового облака, которое может образоваться в аварийной ситуации, и относительного энергетического потенциала данного структурного элемента (технологического узла). Категорирование взрывоопасных технологических узлов объектов приведено в табл. 3.11 [10].

Таблица 3.11

Категории взрывоопасности технологических узлов объектов, при авариях которых образуется парогазовое облако

	Характеристики	Возможная масса	Относительный
			энергетический
	Категория опасности	парогазового облака, кг
			потенциал
	I	> 37	> 5000
	II	27–37	2000–5000
	III	< 27	< 2000

Относительный энергетический потенциал структурного элемента может быть

определен по формуле:
Q =	1		3	E ,	(3.27)
	16,534

где: Q — относительный энергетический потенциал;

Е — суммарный энергетический потенциал технологического узла, складывающийся из энергии, выделяющейся при сгорании парогазового облака, образующегося при аварии, а также парогазовой фазы пролитой горючей жидкости, кДж.

Величиной суммарного энергетического потенциала можно воспользоваться

для определения массы (m) парогазового облака [10]:
m =	E
		.	(3.28)
	4,6 104

Основными поражающими факторами, возникающими при дефлаграционном (взрывном)горении и детонационномвзрыветопливно-воздушнойсмеси,являются:

—ударная воздушная волна;

—тепловое излучение из зоны взрывного горения (зоны детонационного взрыва);

—разлет осколков (фрагментов конструкций), если взрыв происходит в резервуаре или ином замкнутом объеме.

239

Раздел III

Ударная волна характеризуется главным образом величиной избыточного давления в ее фронте, характером амплитуды, длительностью положительной и отрицательной фаз.

Всвязи с этим при оценке поражающего действия воздушной ударной волны

иопределении целесообразных мер по обеспечению безопасности объектов принимается во внимание не только избыточное давление во фронте этой волны, но проводится анализ и импульсных характеристик. Учитывается, что при детонации имеет место высокая амплитуда ударной волны, пикообразный и короткий период действия взрыва. При этом длительности положительной и отрицательной фаз примерно одинаковы и составляют 1–5 м/с. При дефлаграции же имеет место значительно меньшая амплитуда воздушной ударной волны, относительно монотонный синусоидальный характер нарастания (убывания) давления. Период действия ударной волны значительно больше, чем при детонации. При этом длительность положительной фазы в 2–5 раз меньше, чем отрицательной. Ее длительность может быть 100 мс и более [91]. Отмечается, что именно это обстоятельство оказывает значительное влияние на характер некоторых поражений. В частности, в дальней зоне стекла из окон в домах и объектах вылетают наружу.

Для определения основного параметра воздушной ударной волны можно воспользоваться формулой, рекомендуемой РАО «Газпром» [91], которая получена в Институте химической физики РАН на основе обобщения теоретических и экспериментальных работ по определению параметров ударных волн при дефлаграционном сгорании газообразных топливно-воздушных смесей.

Эта формула имеет вид:

	,	(3.29)

где: P — искомая величина избыточного давления; Ра — атмосферное давление;

uF — скорость фронта пламени; а0 — скорость звука в воздухе;

ν — степень расширения продуктов сгорания (для углеводородов при нестехиометрическом смешении с воздухом ν = 3,5–4,0);

Rx — приведенное расстояние от эпицентра взрыва, которое определяется по формуле:

Rx	=			R			,	(3.30)
				1
		(E		/P )
			B		3
				a

где: R — расстояние от эпицентра взрыва, на котором определяется избыточное давление; ЕВ — энергия взрывного превращения: количество реагирующего вещества,

умноженное на теплоту сгорания.

Заметим, что при выводе формулы принята сферическая модель дефлаграционного сгорания, в соответствии с которой считается, что зона взрывного горения имеет сферическую форму.

Существуют и другие формулы для определения величины избыточного давления. В частности, заслуживает внимания формула, полученная на основе аппроксимации численного решения задачи.

240