Приложение N 3. Методы оценки опасных факторов пожара

2. Рассматривается резервуар, находящийся в обваловании (рис. П3.1.).

Вводятся следующие допущения:

истечение через отверстие однофазное;

резервуар имеет постоянную площадь сечения по высоте;

диаметр резервуара много больше размеров отверстия;

размеры отверстия много больше толщины стенки;

поверхность жидкости внутри резервуара горизонтальна;

температура жидкости остается постоянной в течение времени истечения.

Массовый расход жидкости G (кг/с) через отверстие во времени t (с) определяется по формуле:

 

, (П3.1)

 

где G ₀ - массовый расход в начальный момент времени, кг/с, определяемый по формуле:

 

, (П3.2)

 

где - плотность жидкости, кг/м ³;

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с ²);

- коэффициент истечения;

A _hol - площадь отверстия, м ² ;

h _hol - высота расположения отверстия, м;

A _R - площадь сечения резервуара, м ²;

h ₀ - начальная высота столба жидкости в резервуаре, м.

Высота столба жидкости в резервуаре h (м) в зависимости от времени t определяется по формуле:

 

. (П3.3)

 

Условия перелива струи жидкости (при h ₀>h _hol) через обвалование определяется по формуле:

 

, (П3.4)

 

где Н - высота обвалования, м;

L - расстояние от стенки резервуара до обвалования, м.

 

 

Количество жидкости m (кг), перелившейся через обвалование за полное время истечения, определяется по формуле:

 

, (П3.5)

 

где t _pour - время, в течение которого жидкость переливается через обвалование, с, (т.е. время, в течение которого выполняется условие (П3.4)).

Величина t _pour определяется по формуле:

 

, (П3.6)

 

где a, b, c - параметры, которые определяются по формулам:

 

; (П3.7)

 

, м/с; (П3.8)

 

, м. (П3.9)

 

В случае, если жидкость в резервуаре находится под избыточным давлением P (Па), величина мгновенного массового расхода G ₀ (кг/с) определяется по формуле:

 

. (П3.10)

 

Для определения количества жидкости, перелившейся через обвалование, и времени перелива следует проинтегрировать соответствующую систему уравнений, где величина P может быть переменной.

 

3. Массовая скорость истечения сжатого газа из резервуара определяется по формулам:

докритическое истечение:

 

при ; (П3.11)

 

; (П3.12)

 

сверхкритическое истечение:

 

при ; (П3.13)

 

, (П3.14)

 

где G - массовый расход, кг/с;

P _a - атмосферное давление, Па;

P _V - давление газа в резервуаре, Па;

- показатель адиабаты газа;

A _hol - площадь отверстия, м ²;

- коэффициент истечения (при отсутствии данных допускается принимать равным 0,8);

 _V - плотность газа в резервуаре при давлении P _V, кг/м ³.

 

4. Массовая скорость истечения паровой фазы G _V (кг/с) определяется по формуле:

 

, (П3.15)

 

где - коэффициент истечения;

A _hol - площадь отверстия, м ²;

P _C - критическое давление сжиженного газа, Па;

M - молярная масса, кг/моль;

R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(К·моль);

T _C - критическая температура сжиженного газа, К;

P _R=P _V/P _C - безразмерное давление сжиженного газа в резервуаре;

P _V - давление сжиженного газа в резервуаре, Па.

Массовую скорость истечения паровой фазы можно также определять по формулам (П3.11) - (П3.14).

Массовая скорость истечения жидкой фазы G _L (кг/с) определяется по формуле:

 

, (П3.16)

 

где  _L - плотность жидкой фазы, кг/м ³;

 _V - плотность паровой фазы, кг/м ³;

T _R=T/T _C - безразмерная температура сжиженного газа;

Т - температура сжиженного газа в резервуаре, К.

 

5. Под квазимгновенным разрушением резервуара следует понимать внезапный (в течение секунд или долей секунд) распад резервуара на приблизительно равные по размеру части. При такой пожароопасной ситуации часть хранимой в резервуаре жидкости может перелиться через обвалование.

Ниже представлена математическая модель, позволяющая оценить долю жидкости, перелившейся через обвалование при квазимгновенном разрушении резервуара. Приняты следующие допущения:

рассматривается плоская одномерная задача;

время разрушения резервуара много меньше характерного времени движения гидродинамической волны до обвалования;

жидкость является невязкой;

трение жидкости о поверхность земли отсутствует;

поверхность земли является плоской, горизонтальной.

Система уравнений, описывающих движение жидкости, имеет вид:

 

, (П3.17)

 

где h - высота столба жидкости над фиксированным уровнем, м;

h _G - высота подстилающей поверхности над фиксированным уровнем, м;

u - средняя по высоте скорость движения столба жидкости, м/с;

x - координата вдоль направления движения жидкости, м;

t - время, с;

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с ²).

Граничные условия с учетом геометрии задачи (рис. П3.2.) имеют вид:

 

; (П3.18)

 

; (П3.19)

 

; (П3.20)

 

, (П3.21)

 

где а - высота обвалования.

Массовая доля жидкости Q (%), перелившейся через обвалование к моменту времени T, определяется по формуле:

 

, (П3.22)

 

где: u _N - средняя по высоте скорость движения столба жидкости при x = b, м/с;

h _N - высота столба жидкости при x = b, м;

h ₀ - начальная высота столба жидкости в резервуаре, м;

R - ширина резервуара, м.

График расчетной и экспериментальной зависимостей массовой доли перелившейся через обвалование жидкости Q от параметра a/h ₀ представлен на рис. П3.3.

 

 

 

а) происходит расчетная авария одного из резервуаров (аппаратов) или трубопровода;

б) все содержимое резервуара (аппарата, трубопровода) или часть продукта (при соответствующем обосновании) поступает в окружающее пространство. При этом в случае наличия на объекте нескольких аппаратов (резервуаров) расчет следует проводить для каждого резервуара (аппарата);

в) при разгерметизации резервуара (аппарата) происходит одновременно утечка веществ из трубопроводов, питающих резервуар по прямому и обратному потоку в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов. Расчетное время отключения трубопроводов определяется в каждом конкретном случае, исходя из реальной обстановки, и должно быть минимальным с учетом паспортных данных на запорные устройства и их надежности, характера технологического процесса и вида расчетной аварии.

При отсутствии данных допускается расчетное время отключения технологических трубопроводов принимать равным:

времени срабатывания системы автоматики отключения трубопроводов согласно паспортным данным установки, если вероятность отказа системы автоматики не превышает 0,000001 в год или обеспечено резервирование ее элементов;

120 с, если вероятность отказа системы автоматики превышает 0,000001 в год и не обеспечено резервирование ее элементов;

300 с при ручном отключении;

г) в качестве расчетной температуры при пожароопасной ситуации с наземно расположенным оборудованием допускается принимать максимально возможную температуру воздуха в соответствующей климатической зоне, а при пожароопасной ситуации с подземно расположенным оборудованием - температуру грунта, условно равную максимальной среднемесячной температуре окружающего воздуха в наиболее теплое время года;

е) длительность испарения жидкости с поверхности пролива принимается равной времени ее полного испарения, но не более 3600 с. Для проливов жидкости до 20 кг время испарения допускается принимать равным 900 с.

Допускается использование показателей пожаровзрывоопасности для смесей веществ и материалов по наиболее опасному компоненту.

 

7. Масса жидкости, поступившей в окружающее пространство при разгерметизации резервуара, определяется по формуле:

 

m _a= _L·V _R, (П3.23)

 

где: m _a - масса жидкости, кг;

 _L - плотность жидкости, кг/м ³;

V _R - объем жидкости в резервуаре, м ³.

Масса жидкости, поступившей самотеком при полном разрушении наземного или надземного трубопровода, выходящего из резервуара, определяется по формулам:

 

, (П3.24)

 

где

 

, (П3.25)

 

где

 

P _R=h _L· _L·g, (П3.26)

 

где G _L - начальный расход жидкости, истекающей из резервуара через разгерметизированный трубопровод, кг/с;

- коэффициент истечения;

- расчетное время отключения трубопроводов, связанных с местом разгерметизации, с;

d _P - диаметр трубопроводов, м (в случае различных диаметров трубопроводов, связанных с местом разгерметизации, объем выходящей жидкости рассчитывается для каждого трубопровода в отдельности);

L _i - длина i-го участка трубопровода от запорного устройства до места разгерметизации, м;

n - число участков трубопроводов, связанных с местом разгерметизации;

- напор столба жидкости в резервуаре, Па;

h _L - высота столба жидкости (от верхнего уровня жидкости в резервуаре до уровня места разгерметизации), м;

g - ускорение свободного падения, м/с ² (g = 9,81).

При проливе на неограниченную поверхность площадь пролива F _ПР (м ²) жидкости определяется по формуле:

 

, (П3.27)

 

где:

f _P - коэффициент разлития, м ^-1 (при отсутствии данных допускается принимать равным 5 м ^-1 при проливе на неспланированную грунтовую поверхность, 20 м ^-1 при проливе на спланированное грунтовое покрытие, 150 м ^-1 при проливе на бетонное или асфальтовое покрытие);

V _Ж - объем жидкости, поступившей в окружающее пространство при разгерметизации резервуара, м ³.

 

8. В случае наполнения резервуара масса паров определяется по формуле:

 

m _V= _V·V _R·P _H/P ₀, (П3.28)

 

где

 

, (П3.29)

 

где: m _V - масса выходящих паров ЛВЖ, кг;

 _V - плотность паров ЛВЖ, кг/м ³ ;

P _H - давление насыщенных паров ЛВЖ при расчетной температуре, кПа, определяемое по справочным данным;

P ₀ - атмосферное давление, кПа (допускается принимать равным 101);

V _R - геометрический объем паровоздушного пространства резервуара (при отсутствии данных допускается принимать равным геометрическому объему резервуара), м ³ ;

М - молярная масса паров ЛВЖ, кг/кмоль;

V ₀ - мольный объем, равный 22,413 м ³/кмоль;

t ₀ - расчетная температура, °С.

 

9. Масса паров ЛВЖ при испарении со свободной поверхности в резервуаре определяется по формуле:

 

m _V=G _V· _E, (П3.30)

 

где G _V - расход паров ЛВЖ, кг/с, который определяется по формуле:

 

G _V=F _R·W, (П3.31)

 

где  _E - время поступления паров из резервуара, с;

F _R - максимальная площадь поверхности испарения ЛВЖ в резервуаре, м ²;

W - интенсивность испарения ЛВЖ, кг/(м ²·с) (определяется в соответствии с разделом VIII настоящего приложения).

 

12. Ожидаемый режим сгорания облака зависит от типа горючего вещества и степени загроможденности окружающего пространства.

 

13. Вещества, способные к образованию горючих смесей с воздухом, по степени своей чувствительности к возбуждению взрывных процессов разделены на четыре класса:

класс 1 - особо чувствительные вещества (размер детонационной ячейки менее 2 см);

класс 2 - чувствительные вещества (размер детонационной ячейки лежит в пределах от 2 до 10 см);

класс 3 - средне чувствительные вещества (размер детонационной ячейки лежит в пределах от 10 до 40 см);

класс 4 - слабо чувствительные вещества (размер детонационной ячейки больше 40 см).

Классификация наиболее распространенных в промышленном производстве горючих веществ приведена в таблице П3.1. В случае, если вещество не внесено в классификацию, его следует классифицировать по аналогии с имеющимися в списке веществами, а при отсутствии информации о свойствах данного вещества, его следует отнести к классу 1, т.е. рассматривать наиболее опасный случай.

 

Таблица П3.1

 

Класс 1	Класс 2	Класс 3	Класс 4
Ацетилен	Акрилонитрил	Ацетальдегид	Бензол
Винилацетилен	Акролеин	Ацетон	Декан
Водород	Бутан	Бензин	о-Дихлорбензол
Гидразин	Бутилен	Винилацетат	Додекан
Изопропилнитрат	Бутадиен	Винилхлорид	Метан
Метилацетилен	1,3-Пентадиен	Гексан	Метилбензол
Нитрометан	Пропан	Изооктан	Метилмеркаптан
Окись пропилена	Пропилен	Метиламин	Метилхлорид
Окись этилена	Сероуглерод	Метилацетат	Окись углерода
Этилнитрат	Этан	Метилбутилкетон	Этиленбензол
	Этилен	Метилпропилкетон
	Эфиры:	Метилэтилкетон
	диметиловый	Октан
	дивиниловый	Пиридин
	метилбутиловый	Сероводород
		Спирты:
		метиловый
	Широкая фракция	этиловый
	легких углеводо-	пропиловый
	родов	амиловый
		изобутиловый
		изопропиловый
		Циклогексан
		Этилформиат
		Этилхлорид

14. При оценке масштабов поражения волнами давления должно учитываться различие химических соединений по теплоте сгорания, используемой для расчета полного запаса энерговыделения. Для типичных углеводородов принимается в расчет значение удельной теплоты сгорания E _УД0=44 МДж/кг. Для иных горючих веществ в расчетах используется удельное энерговыделение . Здесь - корректировочный параметр. Для условно выделенных классов горючих веществ величины параметра представлены в таблице П3.2.

 

Таблица П3.2

 

Классы горючих веществ		Классы горючих веществ
Класс 1		Класс 3
Ацетилен	1,1	Кумол	0,84
Метилацетилен	1,05	Метиламин	0,70
Винилацетилен	1,03	Спирты:
Окись этилена	0,62	Метиловый	0,45
Гидразин	0,44	Этиловый	0,61
Изопропилнитрат	0,41	Пропиловый	0,69
Этилнитрат	0,30	Амиловый	0,79
Водород	2,73	Циклогексан	1
Нитрометан	0,25	Ацетальальдегид	0,56
Класс 2		Винилацетат	0,51
Этилен	1,07	Бензин	1
Диэтилэфир	0,77	Гексан	1
Дивинилэфир	0,77	Изооктан	1
Окись пропилена	0,7	Пиридин	0,77
Акролеин	0,62	Циклопропан	1
Сероуглерод	0,32	Этиламин	0,80
Бутан	1	Класс 4
Бутилен	1
Бутадиен	1	Метан	1,14
1,3-Пентадиен	1	Трихлорэтан	0,15
Этан	1	Метилхлорид	0,12
Диметилэфир	0,66	Бензол	1
Диизопропиловый эфир	0,82	Декан	1
ШФЛУ	1	Додекан	1
Пропилен	1	Метилбензол	1
Пропан	1	Метилмеркаптан	0,53
Класс 3		Окись углерода	0,23
Винилхлорид	0,42	Дихлорэтан	0,24
Сероводород	0,34	Дихлорбензол	0,42
Ацетон	0,65	Трихлорэтан	0,14

 

15. Характером загроможденности окружающего пространства в значительной степени определяется скорость распространения пламени при сгорании облака и, следовательно, параметры волны давления. Характеристики загроможденности окружающего пространства разделяются на четыре класса:

класс I - наличие длинных труб, полостей, каверн, заполненных горючей смесью, при сгорании которой возможно ожидать формирование турбулентных струй продуктов сгорания, имеющих размеры не менее трех размеров детонационной ячейки данной смеси. Если размер детонационной ячейки для данной смеси не известен, то минимальный характерный размер струй принимается равным 5 см для веществ класса 1, 20 см для веществ класса 2, 50 см для веществ класса 3 и 150 см для веществ класса 4;

класс II - сильно загроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов высокая плотность размещения технологического оборудования, лес, большое количество повторяющихся препятствий;

класс III - средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк;

класс IV - слабо загроможденное и свободное пространство.

 

16. Для оценки воздействия сгорания облака возможные режимы сгорания разделяются на шесть классов по диапазонам скоростей их распространения следующим образом:

класс 1 - детонация или горение со скоростью фронта пламени 500 м/с и более;

класс 2 - дефлаграция, скорость фронта пламени 300-500 м/с;

класс 3 - дефлаграция, скорость фронта пламени 200 - 300 м/с;

класс 4 - дефлаграция, скорость фронта пламени 150 - 200 м/с;

класс 5 - дефлаграция, скорость фронта пламени определяется по формуле:

 

u=k ₁·M ^1/6, (П3.37)

 

где k ₁ - константа, равная 43;

М - масса горючего вещества, содержащегося в облаке, кг;

класс 6 - дефлаграция, скорость фронта пламени определяется по формуле:

 

u=k ₂·M ^1/6, (П3.38)

 

где k ₂ - константа, равная 26;

М - масса горючего вещества, содержащегося в облаке, кг.

17. Ожидаемый режим сгорания облака определяется с помощью таблицы П3.3, в зависимости от класса горючего вещества и класса загроможденности окружающего пространства.

 

Таблица П3.3

 

Класс горючего вещества	Класс загроможденности окружающего пространства
	I	II	III	IV
1	1	1	2	3
2	1	2	3	4
3	2	3	4	5
4	3	4	5	6

 

При определении максимальной скорости фронта пламени для режимов сгорания 2-4 классов дополнительно рассчитывается видимая скорость фронта пламени по соотношению (П3.37). В том случае, если полученная величина больше максимальной скорости, соответствующей данному классу, она принимается по формуле (П3.37).

 

18. Параметры воздушных волн давления (избыточное давление P и импульс фазы сжатия I ⁺) в зависимости от расстояния от центра облака рассчитываются исходя из ожидаемого режима сгорания облака.

 

19. Рассчитывается соответствующее безразмерное расстояние по формуле:

 

, (П3.39)

 

где R - расстояние от центра облака, м;

Р ₀ - атмосферное давление, Па;

Е - эффективный энергозапас смеси, Дж.

Величины безразмерного давления Р _x и импульс фазы сжатия I _x определяются по формулам (для газопаровоздушных смесей):

 

; (П3.40)

 

. (П3.41)

 

Формулы (П3.40, П3.41) справедливы для значений R _x ,более R _k>0,2. В случае, если R _x<0,2, то Р _x равно 18, а в формулу (П3.41) вместо R _x подставляется величина R _x=0,14.

Размерные величины избыточного давления и импульса фазы сжатия определяются по формулам:

 

P=P _x·P ₀; (П3.42)

 

. (П3.43)

 

20. Рассчитывается безразмерное расстояние R _x от центра облака по формуле (П3.39).

Рассчитываются величины безразмерного давления (P _x1 ) и импульса фазы сжатия I _x1 по формулам:

 

; (П3.44)

 

; (П3.45)

 

, (П3.46)

 

где - степень расширения продуктов сгорания (для газопаровоздушных смесей допускается принимается равным 7, для пылевоздушных смесей 4);

u - видимая скорость фронта пламени, м/с.

В случае дефлагарации пылевоздушного облака величина эффективного энергозапаса умножается на коэффициент (-1)/.

Формулы (П3.44), (П3.45) справедливы для значений R _x больших величины R _кр1=0,34, в случае, если R _x<R _кр1, в формулы (П3.44), (П3.45) вместо R _x подставляется величина R _кр1.

Размерные величины избыточного давления и импульса фазы сжатия определяются по формулам (П3.42), (П3.43). При этом в формулы (П3.42), (П3.43) вместо Р _x и I _x подставляются величины Р _x1 и I _x1.

 

23. Интенсивность теплового излучения q (кВт/м ²) для пожара пролива ЛВЖ, ГЖ, сжиженного природного газа (далее - СПГ) или СУГ определяется по формуле:

 

q=E _f·F _q·, (П3.52)

 

где:

E _f - среднеповерхностная интенсивность теплового излучения пламени, кВт/м ²;

F _q - угловой коэффициент облученности;

- коэффициент пропускания атмосферы.

Значение E _f принимается на основе имеющихся экспериментальных данных или по таблице П3.4.

 

Таблица П3.4

 

Среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени в зависимости от диаметра очага и удельная массовая скорость выгорания для некоторых жидких углеводородных топлив

 

Топливо	E f, кВт/м 2, при d, м					m', кг/(м 2с)
	10	20	30	40	50
СПГ	220	180	150	130	120	0,08
СУГ (пропан-бутан)	80	63	50	43	40	0,1
Бензин	60	47	35	28	25	0,06
Дизельное топливо	40	32	25	21	18	0,04

Примечание. Для диаметров очага менее 10 м или более 50 м следует принимать E _f такой же, как и для очагов диаметром 10 м и 50 м, соответственно.

При отсутствии данных для нефти и нефтепродуктов допускается величину E _f
(кВт/м ²) определять по формуле:

 

E _f=140·e ^-0,12·d+20·(1-e ^-0,12·d), (П3.53)

 

где:

d - эффективный диаметр пролива, м.

При отсутствии данных для однокомпонентных жидкостей допускается величину E _f
(кВт/м ²) определять по формуле:

 

, (П3.53.1)

 

где:

- удельная массовая скорость выгорания, кг/(м ²·с) ;

H _СГ - удельная теплота сгорания, кДж/кг;

L - длина пламени, м.

При отсутствии данных для однокомпонентных жидкостей допускается величину (кг/(м ²·с)) определять по формуле:

 

, (П3.53.2)

 

где:

L _g - удельная теплота испарения жидкости, кДж/кг;

C _P - удельная теплоемкость жидкости, кДж/(кг·К);

T _b - температура кипения жидкости при атмосферном давлении, К;

T _a - температура окружающей среды, К.

Для многокомпонентных смесей жидкостей допускается определение значений E _f и по компонентам, для которых величины E _f и максимальны.

Угловой коэффициент облученности F _q определяется по формуле:

 

, (П3.54)

 

где:

- факторы облученности для вертикальной и горизонтальной площадок соответственно, определяемые для площадок, расположенных в 90° секторе в направлении наклона пламени, по следующим формулам:

 

, (П3.55)

 

, (П3.56)

 

, (П3.57)

 

, (П3.57.1)

 

, (П3.57.2)

 

, (П3.57.3)

 

, (П3.57.4)

 

, (П3.57.5)

 

, (П3.57.6)

 

, (П3.57.7)

 

где:

X - расстояние от геометрического центра пролива до облучаемого объекта, м;

d - эффективный диаметр пролива, м;

L - длина пламени, м;

- угол отклонения пламени от вертикали под действием ветра.

Для площадок, расположенных вне указанного сектора, а также в случаях отсутствия ветра факторы облученности для вертикальной и горизонтальной площадок рассчитываются по формулам 3.55-3.57.7 и 3.59.1, принимая =0.

Эффективный диаметр пролива d (м) рассчитывается по формуле:

 

, (П3.58)

 

где:

F - площадь пролива, м ².

Длина пламени L (м) определяется по формулам:

при u*1

 

, (П3.59)

 

при u _*<1

 

, (П3.59.1)

 

где:

 

, (П3.60)

 

- удельная массовая скорость выгорания топлива, кг/(м ²·с);

 _a - плотность окружающего воздуха, кг/м ³;

 _П - плотность насыщенных паров топлива при температуре кипения, кг/м ³;

w ₀ - скорость ветра, м/с;

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с ²).

Угол отклонения пламени от вертикали под действием ветра рассчитывается по формуле:

 

. (П3.61)

 

Коэффициент пропускания атмосферы для пожара пролива определяется по формуле:

 

=ехр[-7·10 ^-4·(X-0,5·d)] (П3.62)

 

24. Интенсивность теплового излучения q (кВт/м ²) для огненного шара определяется по формуле (П3.52).

Величина E _f определяется на основе имеющихся экспериментальных данных. Допускается принимать E _f равной 350 кВт/м ².

Значение F _q определяется по формуле:

 

, (П3.63)

 

где:

Н - высота центра огненного шара, м;

D _S - эффективный диаметр огненного шара, м;

r - расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром огненного шара, м.

Эффективный диаметр огненного шара D _S (м) определяется по формуле:

 

D _S=6,48·m ^0,325, (П3.64)

 

где:

m - масса продукта, поступившего в окружающее пространство, кг.

Величину Н допускается принимать равной D _S.

Время существования огненного шара t _S (с) определяется по формуле:

 

t _S=0,852·m ^0,26. (П3.65)

 

Коэффициент пропускания атмосферы для огненного шара рассчитывается по формуле:

 

. (П3.66)