Приложение 4. Методы оценки опасных факторов пожара

Приложение 4

Методы оценки опасных факторов пожара

1. В настоящем приложении представлены методы оценки опасных факторов, реализующихся при различных сценариях пожаров, взрывов на территории объекта и в жилой зоне, общественно-деловой зоне или зоне рекреационного назначения вблизи объекта.

Для оценки опасных факторов, реализующихся при пожарах в зданиях (помещениях) объекта, используются методы, регламентированные Прил. 5 к настоящему Пособию.

I. Истечение жидкости и газа

Истечение жидкости

2. Рассматривается резервуар, находящийся в обваловании (рис. П.4.1) [1].

Рис. П.4.1. Схема для расчета истечения жидкости из отверстия в резервуаре

Вводятся следующие допущения [1]:

- истечение через отверстие однофазное;

- резервуар имеет постоянную площадь сечения по высоте;

- диаметр резервуара намного больше размеров отверстия;

- размеры отверстия намного 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:

, (П4.1)

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

, (П4.2)

- плотность жидкости, кг/м ³; g - ускорение свободного падения, g=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:

. (П4.3)

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

, (П4.4)

где H - 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:

, (П4.5)

где t _pour - время, в течение которого жидкость переливается через обвалование, с (т. е. время, в течение которого выполняется условие (П4.4)).

Величина t _pour определяется по формуле:

, (П4.6)

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

; (П4.7)

, м/с; (П4.8)

, м. (П4.9)

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

. (П4.10)

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

Истечение сжатого газа

3. Массовая скорость истечения сжатого газа из резервуара определяется по формулам [1]:

- докритическое истечение:

; (П4.11)

; (П4.12)

- сверхкритическое истечение:

; (П4.13)

, (П4.14)

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.

Истечение сжиженного газа из отверстия в резервуаре

4. Массовая скорость истечения паровой фазы G _V (кг/с) определяется по формуле [1]:

, (П4.15)

где - коэффициент истечения; A _hol - площадь отверстия, м ²; P _c - критическое давление сжиженного газа, Па; М - 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 (П4.11) - (П4.14).

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

, (П4.16)

где  _L - плотность жидкой фазы, кг/м ³;  _V - плотность паровой фазы, кг/м ³; T _R=T/T _с - безразмерная температура сжиженного газа; Т - температура сжиженного газа в резервуаре, К.

Растекание жидкости при квазимгновенном разрушении резервуара

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 [1].

Приняты следующие допущения:

- рассматривается плоская одномерная задача;

- время разрушения резервуара намного 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

, (П4.17)

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, g= 9,81, м/с ².

Граничные условия с учетом геометрии задачи (рис. П4.2) имеют вид:

; (П4.18)

; (П4.19)

; (П4.20)

, (П4.21)

где a - высота обвалования.

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

, (П4.22)

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. П4.3.

Рис. П4.3. Зависимость доли перелившейся через обвалование жидкости Q от параметра a/h ₀:
1 - расчет; 2 - эксперимент

Оценка массы перелившейся через обвалование жидкости может быть проведена по следующей формуле:

, (П4.22.1)

где M ₀ и M _p - соответственно, масса пролитой и перелившейся жидкости, кг.

II. Количественная оценка массы горючих веществ, поступающих в окружающее пространство в результате возникновения пожароопасных ситуаций

6. Количество поступивших в окружающее пространство горючих веществ, которые могут образовать взрывоопасные газопаровоздушные смеси или проливы горючих сжиженных газов, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей на подстилающей поверхности, определяется исходя из следующих предпосылок:

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;

д) 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.

Разгерметизация надземного резервуара

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

m _a= _L·V _R, (П4.23)

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:

, (П4.24)

где

, (П4.25)

где

P _R=h _L·L·g, (П4.26)

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; P _R - 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, g = 9,81 м/с ².

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

F _ПР=f _P·V _Ж, (П4.27)

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.

Масса паров ЛВЖ, выходящих через дыхательную арматуру

8. В случае наполнения резервуара масса паров определяется по формуле

m _V= _V·V _R·P _H/P ₀, (П4.28)

где

, (П4.29)

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.

Масса паров ЛВЖ при испарении со свободной поверхности в резервуаре

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

m _V=G _V· _E, (П4.30)

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

G _V=F _R·W, (П4.31)

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 разд. VIII настоящего Приложения).

III. Максимальные размеры взрывоопасных зон

10. Радиус R _НКПР (м) и высота Z _НКПР (м) зоны, ограничивающие область концентраций, превышающих нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР), при неподвижной воздушной среде определяются по формулам:

для горючих газов (далее - ГГ) -

; (П4.32)

, (П4.33)

для паров ЛВЖ -

; (П4.34)

, (П4.35)

где m _Г - масса ГГ, поступивших в открытое пространство при пожароопасной ситуации, кг;  _Г - плотность ГГ при расчетной температуре и атмосферном давлении, кг/м ³; m _П - масса паров ЛВЖ, поступивших в открытое пространство за время испарения по п. 6 настоящего Приложения, кг;  _П - плотность паров ЛВЖ при расчетной температуре, кг/м ³; C _НКПР - нижний концентрационный предел распространения пламени ГГ или паров,% (об.).

За начало отсчета горизонтального размера зоны принимают геометрический центр пролива, а в случае если R _НКПР меньше габаритных размеров пролива - внешние габаритные размеры пролива.

При необходимости может быть учтено влияние различных метеорологических условий на размеры взрывоопасных зон.

IV. Определение параметров волны давления при сгорании газо-, паро- или пылевоздушного облака

11. Методика количественной оценки параметров воздушных волн давления при сгорании газо-, паро- или пылевоздушного облака (далее - облако) распространяется на случаи выброса горючих газов, паров или пыли в атмосферу на производственных объектах.

Основными структурными элементами алгоритма расчетов являются:

- определение ожидаемого режима сгорания облака;

- расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных волн давления для различных режимов;

- определение дополнительных характеристик взрывной нагрузки;

- оценка поражающего воздействия.

Исходными данными для расчета параметров волн давления при сгорании облака являются:

- вид горючего вещества, содержащегося в облаке;

- концентрация горючего вещества в смеси C _г;

- стехиометрическая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом C _ст;

- масса горючего вещества M _т, содержащегося в облаке, с концентрацией между нижним и верхним концентрационным пределом распространения пламени. Допускается величину M _т принимать равной массе горючего вещества, содержащегося в облаке, с учетом коэффициента Z участия горючего вещества во взрыве. При отсутствии данных коэффициент Z может быть принят равным 0,1. При струйном стационарном истечении горючего газа величину M _т следует рассчитывать с учетом стационарного распределения концентраций горючего газа в струе;

- удельная теплота сгорания горючего вещества E _уд;

- скорость звука в воздухе C ₀ (обычно принимается равной 340 м/с);

- информация о степени загроможденности окружающего пространства;

- эффективный энергозапас горючей смеси Е, который определяется по формуле

. (П4.36)

При расчете параметров сгорания облака, расположенного на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается.

Определение ожидаемого режима сгорания облака

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

Классификация горючих веществ по степени чувствительности

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 табл. П4.1. 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 П4.1

Классификация наиболее распространенных в промышленном производстве горючих веществ

Класс 1	Класс 2	Класс 3	Класс 4
Ацетилен Винилацетилен Водород Гидразин Изопропилнитрат Метилацетилен Нитрометан Окись пропилена Окись этилена Этилнитрат	Акрилонитрил Акролеин Бутан Бутилен Бутадиен 1,3-Пентадиен Пропан Пропилен Сероуглерод Этан Этилен Эфиры: диметиловый дивиниловый метилбутиловый диэтиловый диизопропиловый Широкая фракция легких углеводородов	Ацетальдегид Ацетон Бензин Винилацетат Винилхлорид Гексан Генераторный газ Изооктан Метиламин Метилацетат Метилбутилкетон Метилпропил- кетон Метилэтилкетон Октан Пиридин Сероводород Спирты: метиловый этиловый пропиловый амиловый изобутиловый изопропиловый Циклогексан Этилформиат Этилхлорид Сжиженный природный газ Кумол Печной газ Циклопропан Этиламин	Аммиак Бензол Декан Дизтопливо о-Дихлорбензол Додекан Керосин Метан Метилбензол Метилмеркаптан Метилхлорид Нафталин Окись углерода Фенол Хлорбензол Этиленбензол Дихлорэтан Трихлорэтан

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 E _уд=E _уд0. В данном случае - корректировочный параметр. Для условно выделенных классов горючих веществ величины параметра представлены в табл. П4.2.

Таблица П4.2

Величины параметра для условно выделенных классов горючих веществ

Классы горючих веществ
Класс 1
Ацетилен	1,10
Метилацетилен	1,05
Винилацетилен	1,03
Окись этилена	0,62
Гидразин	0,44
Изопропилнитрат	0,41

Этилнитрат	0,30
Водород	2,73
Нитрометан	0,25
Окись пропилена	0,70
Класс 2
Этилен	1,07
Диэтилэфир	0,77
Дивинилэфир	0,77
Окись пропилена	0,70
Акролеин	0,62
Сероуглерод	0,32
Бутан	1,04
Бутилен	1,00
Бутадиен	1,00
1,3-Пентадиен	1,00
Этан	1,08
Диметилэфир	0,66
Диизопропиловый эфир	0,82
ШФЛУ	1,00
Пропилен	1,04
Пропан	1,05
Класс 3
Гексан	1,00
Спирт метиловый	0,52
Спирт этиловый	0,62
Спирт пропиловый	0,69
Спирт изопропиловый	0,69
Спирт изобутиловый	0,79
Изооктан	1,00
Пиридин	0,77
Циклопропан	1,00
Этиламин	0,80
Метилацетат	0,53
Метилбутилкетон	0,79
Метилпропилкетон	0,76
Метилэтилкетон	0,71
Этилформиат	0,46
Этилхлорид	0,43
Сжиженный природный газ	1,00
Печной газ	0,09
Генераторный газ	0,38
Класс 4
Метан	1,14
Трихлорэтан	0,14
Метилхлорид	0,12
Бензол	0,88
Декан	1,00
Додекан	1,00
Метилбензол	1,00
Акрилонитрил	0,67
Класс 3
Винилхлорид	0,42
Сероводород	0,34
Ацетон	0,65
Кумол	0,84
Метиламин	0,70
Циклогексан	1,00
Ацетальальдегид	0,56
Октан	1,00
Винилацетат	0,51
Бензин	1,00
Метилмеркаптан	0,53
Окись углерода	0,23
Дихлорэтан	0,25
Дихлорбензол	0,42
Аммиак	0,42
Дизтопливо	1,00
Керосин	1,00
Нафталин	0,91
Фенол	0,92
Хлорбензол	0,52
Этилбензол	0,90

Классификация окружающего пространства по степени загроможденности

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 неизвестен, 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; 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.

Классификация режимов сгорания облака

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, (П4.37)

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, (П4.38)

где k ₂ - константа, равная 26; М - масса горючего вещества, содержащегося в облаке, кг.

17. Ожидаемый режим сгорания облака определяется с помощью табл. П4.3 в зависимости от класса горючего вещества и класса загроможденности окружающего пространства.

Таблица П4.3

Ожидаемый режим сгорания облака в зависимости от класса горючего вещества и класса загроможденности окружающего пространства

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 (П4.37). В том случае, если полученная величина больше максимальной скорости, соответствующей данному классу, она принимается по формуле (П4.37).

Расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных волн давления

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.

Класс 1 режима сгорания облака

19. Рассчитывается соответствующее безразмерное расстояние по формуле

, (П4.39)

где R - расстояние от центра облака, м; P ₀ - атмосферное давление, Па; Е - эффективный энергозапас смеси, Дж.

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

; (П4.40)

. (П4.41)

Формулы (П4.40), (П4.41) справедливы для значений R _x>0,2. В случае, если R _x<0,2, то P _x=18, а в формулу (П4.41) 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; (П4.42)

. (П4.43)

Классы 2-6 режима сгорания облака

Рассчитывается безразмерное расстояние R _x от центра облака по формуле (П4.39). Рассчитываются величины безразмерного давления P _x1 и импульса фазы сжатия I _x1 по формулам

; (П4.44)

; (П4.45)

, (П4.46)

где - степень расширения продуктов сгорания (для газопаровоздушных смесей допускается принимать равной 7, для пылевоздушных смесей - 4); u - видимая скорость фронта пламени, м/с.

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

Формулы (П4.44), (П4.45) справедливы для значений R _x, больших величины R _кр1=0,34. В случае, если R _x<R _кр1 в формулы (П4.44), (П4.45) вместо R _x подставляется величина R _кр1.

Размерные величины избыточного давления и импульса фазы сжатия определяются по формулам (П4.42), (П4.43). При этом в формулы (П4.42), (П4.43) вместо P _x и I _x подставляются величины P _x1 и I _x1.

V. Параметры волны давления при взрыве резервуара с перегретой жидкостью или сжиженным газом и воздействии на него очага пожара

21. Избыточное давление P и импульс I ⁺ в волне давления, образующиеся при взрыве резервуара с перегретой ЛВЖ, ГЖ или сжиженным углеводородным газом (СУГ) в очаге пожара, определяются по формулам

; (П4.47)

; (П4.48)

, (П4.49)

где r - расстояние от центра резервуара, м; E _eff - эффективная энергия взрыва, рассчитываемая по формуле

E _eff=kC _pm(T-T _b), (П4.50)

где k - доля энергии волны давления (допускается принимать равной 0,5); C _p - удельная теплоемкость жидкости (допускается принимать равной 2000 Дж/(кг·К); m - масса ЛВЖ, ГЖ или СУГ, содержащаяся в резервуаре, кг; T - температура жидкой фазы, К; T _b - нормальная температура кипения, К.

При наличии в резервуаре предохранительного устройства (клапана или мембраны) величина Т определяется по формуле

, (П4.51)

где P _val - давление срабатывания предохранительного устройства; А, В, C _A - константы уравнения зависимости давления насыщенных паров жидкости от температуры (константы Антуана), определяемые по справочной литературе. Единицы измерения Р _val (кПа, мм рт. ст., атм) должны соответствовать используемым константам Антуана.

VI. Интенсивность теплового излучения

22. В настоящем разделе приводятся методы расчета интенсивности теплового излучения от пожара пролива на поверхность, огненного шара, а также радиуса воздействия продуктов сгорания паровоздушного облака в случае пожара-вспышки.

Пожар пролива

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

q=E _f·F _q·, (П4.52)

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 табл. П4.4.

Таблица П4.4

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 2·с)
	10	20	30	40	50
СПГ	220	180	150	130	120	0,08
СУГ (пропан-бутан)	80	63	50	43	40	0,10
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 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 ^-0,12d+20(1-e ^-0,12d), (П4.53)

где d - эффективный диаметр пролива, м.

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

, (П4.53.1)

где m' - 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 определять по формуле:

, (П4.53.2)

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 m' по компонентам, для которых величины E _f и m' максимальны.

Угловой коэффициент облученности F _q определяется по формуле:

, (П4.54)

где - факторы облученности для вертикальной и горизонтальной площадок соответственно, которые для площадок, расположенных в 90°-ом секторе в направлении наклона пламени, определяются по формулам:

, (П4.57)

, (П4.57.1)

, (П4.57.2)

, (П4.57.3)

, (П4.57.4)

, (П4.57.5)

, (П4.57.6)

, (П4.57.7)

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), (3.59.1) принимая =0.

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Имеется в виду "формулам (П4.55) - (П4.57.7), (П4.59.1)"

Эффективный диаметр пролива d (м) рассчитывается по формуле:

, (П4.58)

где F - площадь пролива, м ².

Длина пламени L (м) определяется по формулам:

при u _*1

, (П4.59)

при u _*<1

, (П4.59.1)

где

, (П4.60)

- 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:

. (П4.61)

Коэффициент пропускания атмосферы для пожара пролива определяется по формуле:

=ехр[-7·10 ^-4(X-0,5d)]. (П4.62)

Огненный шар

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

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Имеется в виду "формуле (П4.52)"

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

Значение F _q определяется по формуле:

, (П4.63)

где H - 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:

, (П4.64)

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:

. (П4.65)

Коэффициент пропускания атмосферы для огненного шара рассчитывается по формуле:

. (П4.66)

VII. Определение радиуса воздействия продуктов сгорания паровоздушного облака в случае пожара-вспышки

25. В случае образования паровоздушной смеси в незагроможденном технологическим оборудованием пространстве и его зажигании относительно слабым источником (например, искрой) сгорание этой смеси происходит, как правило, с небольшими видимыми скоростями пламени. При этом амплитуды волны давления малы и могут не приниматься во внимание при оценке поражающего воздействия. В этом случае реализуется так называемый пожар-вспышка, при котором зона поражения высокотемпературными продуктами сгорания паровоздушной смеси практически совпадает с максимальным размером облака продуктов сгорания (т. е. поражаются в основном объекты, попадающие в это облако). Радиус воздействия высокотемпературных продуктов сгорания паровоздушного облака при пожаре-вспышке R _F определяется формулой

, (П4.67)

где R _НКПР - горизонтальный размер взрывоопасной зоны, определяемый по п. 10 настоящего Приложения.

VIII. Испарение жидкости и СУГ из пролива

26. Интенсивность испарения W (кг/(м ²·с)) для ненагретых жидкостей определяется по формуле

, (П4.68)

где - коэффициент, принимаемый для помещений по табл. П4.5 в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения.

При проливе жидкости вне помещения допускается принимать =1; М - молярная масса жидкости, кг/кмоль; P _н - давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости, кПа.

Таблица П4.5

Значение коэффициента в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения

Скорость воздушного потока, м/с	Значение коэффициента при температуре воздуха, Т °С
	10	15	20	30	35
0,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
0,1	3,0	2,6	2,4	1,8	1,6
0,2	4,6	3,8	3,5	2,4	2,3
0,5	6,6	5,7	5,4	3,6	3,2
1,0	10,0	8,7	7,7	5,6	4,6

Давление насыщенных паров при расчетной температуре может быть определено по формуле:

, (П4.68.1)

где A, B, C _A - константы уравнения Антуана; T _p - расчетная температура, °С.

В Прил. 1 к настоящему Пособию приведены константы уравнения Антуана для некоторых наиболее распространенных ЛВЖ и ГЖ. В формуле (П.4.68.1) расчетная температура должна находиться в переделах диапазона, для которого приведены константы уравнения Антуана.

27. При выбросе СУГ из оборудования, в котором жидкость находится под давлением, часть продукта за счет внутренней энергии мгновенно испаряется, образуя с капельками жидкости облако аэрозоля. Массовая доля мгновенно испарившейся жидкости определяется по формуле

, (П4.69)

где C _p - удельная теплоемкость СУГ, Дж/(кг·К); T _a - температура окружающего воздуха, К; T _b - температура кипения СУГ при атмосферном давлении, К; L _g - удельная теплота парообразования СУГ, Дж/кг.

Принимается, что при 0,35 вся масса жидкости, находящаяся в оборудовании, за счет взрывного характера испарения переходит в парокапельное облако.

При <0,35 оставшаяся часть жидкости испаряется с поверхности пролива за счет потока тепла от подстилающей поверхности и воздуха.

Интенсивность испарения жидкости со свободной поверхности W (кг/(м ²·с)) определяется по формуле

, (П4.70)

где  _a - коэффициент теплопроводности материала, на поверхность которого разливается жидкость, Вт/(м·К); C _s - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг·К);  _s - плотность материала, кг/м ³; T ₀ - начальная температура материала, К; t - текущее время с момента начала испарения, с (не менее 10 с);  _a - коэффициент теплопроводности воздуха при температуре T ₀; u - скорость воздушного потока над поверхностью испарения, м/с; d - характерный диаметр пролива, м; v _a - кинематическая вязкость воздуха при T ₀, м ²/с.

IX. Размеры факела при струйном горении

28. При струйном истечении сжатых горючих газов, паровой и жидкой фазы СУГ и СПГ, ЛВЖ и ГЖ под давлением возникает опасность образования диффузионных факелов.

Длина факела L _F (м) при струйном горении определяется по формуле

L _F=K·G ^0,4, (П4.71)

где G - расход продукта, кг/с; К - эмпирический коэффициент, который при истечении сжатых газов принимается равным 12,5; при истечении паровой фазы СУГ или СПГ - равным 13,5; при истечении жидкой фазы СУГ и СПГ, ЛВЖ и ГЖ под давлением - равным 15.

Длина факела при струйном истечении горючих жидкостей определяется дальностью (высотой) струи жидкости.

Ширина факела D _F (м) при струйном горении определяется по формуле

D _F=0,15·L _F. (П4.72)

29. При проведении оценки пожарной опасности горящего факела при струйном истечении сжатых горючих газов, паровой и жидкой фазы СУГ, СПГ, ЛВЖ и ГЖ под давлением допускается принимать следующее:

- зона непосредственного контакта пламени с окружающими объектами определяется размерами факела;

- длина факела L _F не зависит от направления истечения продукта и скорости ветра;

- наибольшую опасность представляют горизонтальные факелы, условную вероятность реализации которых следует принимать равной 0,67;

- поражение человека в горизонтальном факеле происходит в 30°-м секторе с радиусом, равным длине факела;

- воздействие горизонтального факела на соседнее оборудование, приводящее к его разрушению (каскадному развитию аварии), происходит в 30°-м секторе, ограниченном радиусом, равным L _F;

- за пределами указанного сектора на расстояниях от L _F до 1,5 L _F тепловое излучение от горизонтального факела составляет 10 кВт/м ²;

- тепловое излучение от вертикальных факелов может быть определено по формулам (П4.52), (П.4.54) - (П4.57.7), (П4.62), принимая L равным L _F, d равным равным 0, a E _f - по формулам (П4.53) - (П4.53.2) или табл. П3.4 в зависимости от вида топлива. При отсутствии данных и невозможности рассчитать E _f по представленным формулам допускается эту величину принимать равной 200 кВт/м ²;

- при истечении жидкой фазы СУГ или СПГ из отверстия с эквивалентным диаметром до 100 мм при мгновенном воспламенении происходит полное сгорание истекающего продукта в факеле без образования пожара пролива;

- область возможного воздействия пожара-вспышки при струйном истечении совпадает с областью воздействия факела (30°-й сектор, ограниченный радиусом, равным L _F);

- при мгновенном воспламенении струи газа возможность формирования волн давления допускается не учитывать.

X. Пожар в котловане

При разрыве подземного газопровода может реализоваться горение относительно низкоскоростного вертикального или наклонного шлейфа ("колонны") газа, образовавшегося в результате смешения двух струй газа, истекающих из концов разорвавшегося трубопровода в едином грунтовом котловане (как правило, в "твердых" грунтах с высокой связностью).

В данном случае пламя пожара моделируется в виде цилиндрического твердого теплового излучателя. Геометрические параметры пламени (длина цилиндра пламени , м; эффективный диаметр очага пожара , м) определяются путем решения следующей системы уравнений относительно переменных и :

, (П.4.73)

, (П.4.74)

, (П.4.75)

где Q _ф - общее тепловыделение пожара, кВт; - низшая теплота сгорания метана, кДж/кг; G - суммарный массовый расход газа при его аварийном истечении из двух концов разрушенного газопровода на заданный момент времени t (отсчет времени - от момента разрушения газопровода) или его осреднение за заданный промежуток времени t, кг/с.

Угловой коэффициент облученности для данного вида горения рассчитывается по формулам:

, (П.4.76)

где - факторы облученности для вертикальной и горизонтальной площадок соответственно, которые определяются по формулам:

, (П.4.79)

, (П.4.80)

, (П.4.81)

, (П.4.82)

где r - расстояние от геометрического центра пожара в котловане до облучаемого объекта, м;

, м.

XI. Горение двух струй газа

При разрыве подземного газопровода может реализоваться горение двух свободных высокоскоростных струй газа (настильных, т. е. с углом наклона оси факела к горизонту не более 8-10°, или наклонных, т. е. с углом наклона к горизонту более 8-10°), истекающих из двух концов (плетей) разрушенного трубопровода, вырванных из грунта (как правило, из "слабонесущего" грунта с низкой вязкостью) на поверхность земли.

В данном случае пламя пожара моделируется в виде усеченного конуса, наклонного или горизонтального. Для критических условий (М=1 - число Маха) аварийного истечения газа из одного из концов разрушенного участка газопровода (в аварийном выходном сечении участка трубопровода) (индекс "E") устанавливаются следующие газодинамические параметры потока (скорость, плотность и давление):

, (П.4.83)

, (П.4.84)

, (П.4.85)

где u _E - скорость газа в аварийном сечении трубопровода, м/с; P _E - давление в аварийном сечении трубопровода, Па;  _E - плотность в аварийном сечении трубопровода, кг/м ³; a _E - местная скорость звука, м/с; - площадь поперечного сечения трубы, м ²; G _i - массовый расход газа для соответствующей струи (i = 1 - первая, i = 2 - вторая), кг/с.

Для правомерности использования формул (П.4.83) - (П.4.85) необходимо проверить выполнения условия P _EР _a, где P _a - атмосферное давление, Па. Если данное условие не выполняется, то истечение газа происходит в дозвуковом режиме, размеры зоны загазованности небольшие и ими можно пренебречь по сравнению с размерами зон, наблюдающимися при звуковом истечении.

После выходного сечения на определенном участке (в пределах нескольких диаметров трубы) при превышении статическим давлением на срезе трубы атмосферного давления происходит изоэнтропическое расширение газа с разгоном потока до сверхзвуковых скоростей (М> 1) и формированием системы скачков уплотнения (без изменения расходных характеристик в образующемся струйном течении). Для данного участка течения характерна существенная неравномерность потока. При этом за счет действия скачков уплотнения происходит потеря полного давления. В конце данного участка давление в поперечной плоскости течения выравнивается и становится равным атмосферному. Данное сечение в газовой динамике получил название "изобарическое сечение нерасчетной струи" или "ударная плоскость".

В ударной плоскости (индекс "s") значение газодинамического параметра скорости - числа  _s определяется как:

. (П.4.86)

Значения температуры, числа Маха, плотности и диаметра эквивалентного сечения струи в ударной плоскости приведены ниже:

, (П.4.87)

, (П.4.88)

, (П.4.89)

. (П.4.90)

Общая длина струи определяется по формуле (П.4.73) с учетом заданной интенсивности истечения G _i.

Отрыв факела пламени от среза разорванной трубы (отверстия) h, м, определяется по формуле:

. (П.4.91)

Длина видимой части пламени (высота усеченного конуса) R _L, м, определяется по формуле:

. (П.4.92)

Ширина малого основания усеченного конуса W ₁, м, определяется по формуле:

, (П.4.93)

где  _в - плотность воздуха при P _a и 293 К, кг/м ³;  _г - плотность газа в стандартных условиях, кг/м ³.

Ширина большого основания усеченного конуса W ₂, м, определяется по формуле:

. (П.4.94)

Общая длина настильной струи (т. е. горизонтальной струи с источником выброса на уровне земли) рассчитывается по формуле:

. (П.4.95)

Угловой коэффициент облученности для данного вида горения рассчитывается по формулам (П.4.76) - (П.4.82), принимая во внимание, что , м, и , м.