事故后果模擬分析方法-PPT課件

1、事故后果模擬分析方法 內(nèi)蒙古吉安勞動安全評價有限責(zé)任公司 王國杰1 簡 述 火災(zāi)、爆炸、中毒是常見的重大事故，經(jīng)常造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失，影響社會安定。這里重點介紹有關(guān)火災(zāi)、爆炸和中毒事故(熱輻射、爆炸波、中毒)后果分析，在分析過程中運用了數(shù)學(xué)模型。通常一個復(fù)雜的問題或現(xiàn)象用數(shù)學(xué)模型來描述，往往是在一個系列的假設(shè)前提下按理想的情況建立的，有些模型經(jīng)過小型試驗的驗證，有的則可能與實際情況有較大出入，但對辨識危險性來說是可參考的。 2 泄 漏 由于設(shè)備損壞或操作失誤引起泄漏，大量易燃、易爆、有毒有害物質(zhì)的釋放，將會導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒等重大事故發(fā)生。因此，事故后果分析由泄漏分析開始。

2、2.1 泄漏情況分析 1)泄漏的主要設(shè)備 根據(jù)各種設(shè)備泄漏情況分析，可將工廠(特別是化工廠)中易發(fā)生泄漏的設(shè)備歸納為以下10類：管道、撓性連接器、過濾器、閥門、壓力容器或反應(yīng)器、泵、壓縮機、儲罐、加壓或冷凍氣體容器及火炬燃燒裝置或放散管等。 各設(shè)備泄漏情況裂口尺寸見資料。2)造成泄漏的原因 從人機系統(tǒng)來考慮造成各種泄漏事故的原因主要有4類。 (1)設(shè)計失誤。 (2)設(shè)備原因。 (3)管理原因 。 (4)人為失誤。 具體詳見資料。2.2 泄漏量的計算 當(dāng)發(fā)生泄漏的設(shè)備的裂口是規(guī)則的，而且裂口尺寸及泄漏物質(zhì)的有關(guān)熱力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)及參數(shù)已知時，可根據(jù)流體力學(xué)中的有關(guān)方程式計算泄漏量。當(dāng)裂口不規(guī)則

3、時，可采取等效尺寸代替；當(dāng)遇到泄漏過程中壓力變化等情況時，往往采用經(jīng)驗公式計算。 (經(jīng)驗公式？)3)泄漏后果 泄漏一旦出現(xiàn)，其后果不單與物質(zhì)的數(shù)量、易燃性、毒性有關(guān)，而且與泄漏物質(zhì)的相態(tài)、壓力、溫度等狀態(tài)有關(guān)。這些狀態(tài)可有多種不同的結(jié)合，在后果分析中，常見的可能結(jié)合有4種： (1)常壓液體； (2)加壓液化氣體； (3)低溫液化氣體； (4)加壓氣體。泄漏物質(zhì)的物性不同，其泄漏后果也不同。(1)可燃?xì)怏w泄漏?？扇?xì)怏w泄漏后與空氣混合達(dá)到燃燒極限時，遇到引火源就會發(fā)生燃燒或爆炸。泄漏后起火的時間不同，泄漏后果也不相同。立即起火。可燃?xì)怏w從容器中往外泄出時即被點燃，發(fā)生擴散燃燒，產(chǎn)生噴射性火焰或形

4、成火球，它能迅速地危及泄漏現(xiàn)場，但很少會影響到廠區(qū)的外部。滯后起火?？扇?xì)怏w泄出后與空氣混合形成可燃蒸氣云團(tuán)，并隨風(fēng)飄移，遇火源發(fā)生爆炸或爆轟，能引起較大范圍的破壞。(2)有毒氣體泄漏。有毒氣體泄漏后形成云團(tuán)在空氣中擴散，有毒氣體的濃密云團(tuán)將籠罩很大的空間，影響范圍大。(3)液體泄漏。一般情況下，泄漏的液體在空氣中蒸發(fā)而生成氣體，泄漏后果與液體的性質(zhì)和貯存條件(溫度、壓力)有關(guān)。常溫常壓下液體泄漏。這種液體泄漏后聚集在防液堤內(nèi)或地勢低洼處形成液池，液體由于池表面風(fēng)的對流而緩慢蒸發(fā)，若遇引火源就會發(fā)生池火災(zāi)。加壓液化氣體泄漏。一些液體泄漏時將瞬時蒸發(fā)，剩下的液體將形成一個液池，吸收周圍的熱量繼續(xù)

5、蒸發(fā)。液體瞬時蒸發(fā)的比例決定于物質(zhì)的性質(zhì)及環(huán)境溫度。有些泄漏物可能在泄漏過程中全部蒸發(fā)。低溫液體泄漏。這種液體泄漏時將形成液池，吸收周圍熱量蒸發(fā)，蒸發(fā)量低于加壓液化氣體的泄漏量，高于常溫常壓下液體的泄漏量。無論是氣體泄漏還是液體泄漏，泄漏量的多少都是決定泄漏后果嚴(yán)重程度的主要因素，而泄漏量又與泄漏時間長短有關(guān)。1)液體泄漏量 液體泄漏速度可用流體力學(xué)的柏努利方程計算，其泄漏速度為： (1) 式中 Q0液體泄漏速度，kg/s； Cd液體泄漏系數(shù)，按表1選??； A裂口面積，m2； 泄漏液體密度，kg/m3； p容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa； p0環(huán)境壓力，Pa； g重力加速度，9.8m/s2； h裂口之上

6、液位高度，m。繼續(xù)雷諾數(shù)介紹 測量管內(nèi)流體流量時往往必須了解其流動狀態(tài)、流速分布等。雷諾數(shù)就是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)。 流體流動時的慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm之比稱為雷諾數(shù)。用符號Re表示。Re是一個無因次量。式中，式中的動力粘度用運動粘度來代替，因，則 式中：流體的平均速度； l 流束的定型尺寸； 、在工作狀態(tài)；流體的運動粘度和動力粘度被測流體密度；由上式可知，雷諾數(shù)Re的大小取決于三個參數(shù)，即流體的速度、流束的定型尺寸以及工作狀態(tài)下的粘度（流體工作狀態(tài)下的粘度怎么求得，儀器測量？）。 用圓管傳輸流體，計算雷諾數(shù)時，定型尺寸一般取管道直徑(D)，則 用方形管傳輸流體，管道定型

7、尺寸取當(dāng)量直徑(Dd)。當(dāng)量直徑等于水力半徑的四倍。對于任意截面形狀的管道，其水力半徑等于管道戳面積與周長之比所以長和寬分別為A和B的矩形管道，其當(dāng)量直徑 對于任意截面形狀管道的當(dāng)量直徑，都可按截面積的四倍和截面周長之比計算，因此，雷諾數(shù)的計算公式為返回 對于常壓下的液體泄漏速度，取決于裂口之上液位的高低；對于非常壓下的液體泄漏速度，主要取決于窗口內(nèi)介質(zhì)壓力與環(huán)境壓力之差和液位高低。 當(dāng)容器內(nèi)液體是過熱液體，即液體的沸點低于周圍環(huán)境溫度，液體流過裂口時由于壓力減小而突然蒸發(fā)。蒸發(fā)所需熱量取自于液體本身，而容器內(nèi)剩下的液體溫度將降至常壓沸點。在這種情況下，泄漏時直接蒸發(fā)的液體所占百分比F可按下式

8、計算： (2) 式中 cp液體的定壓熱容，J/(kgK)； T泄漏前液體的溫度，K； T0液體在常壓下的沸點，K； H液體的氣化熱，J/kg。 按式(2)計算的結(jié)果，幾乎總是在01之間。事實上，泄漏時直接蒸發(fā)的液體將以細(xì)小煙霧的形式形成云團(tuán)，與空氣相混合而吸收熱蒸發(fā)。如果空氣傳給液體煙霧的熱量不足以使其蒸發(fā)，由一些液體煙霧將凝結(jié)成液滴降落到地面，形成液池。根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)F02時，一般不會形成液池；當(dāng)F02時，F(xiàn)與帶走液體之比有線性關(guān)系，即當(dāng)F=0時，沒有液體帶走(蒸發(fā))；當(dāng)F=01時，有50的液體被帶走。2)氣體泄漏量 氣體從裂口泄漏的速度與其流動狀態(tài)有關(guān)。因此，計算泄漏量時首先要判斷泄漏時氣體

9、流動屬于音速還是亞音速流動，前者稱為臨界流，后者稱為次臨界流。 當(dāng)式(3)成立時，氣體流動屬音速流動： (3) 當(dāng)式(4)成立時，氣體流動屬亞音速流動： (4)式中 p容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa； p0環(huán)境壓力，Pa； k氣體的絕熱指數(shù)，即定壓熱容cp與定容熱容cv之比。 氣體呈音速流動時，其泄漏量為： (5)氣體呈亞音速流動時，其泄漏量為： (6)上兩式中，Cd氣體泄漏系數(shù)，當(dāng)裂口形狀為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90； A裂口面積，m2 p容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa； Y氣體膨脹因子，它由下式計算： (7) M分子量；氣體密度，kg/m3；R氣體常數(shù)，J(molK)；(通用氣體

10、常數(shù)R 8314.3 J(molK)T氣體溫度，K。當(dāng)容器內(nèi)物質(zhì)隨泄漏而減少或壓力降低而影響泄漏速度時，泄漏速度的計算比較復(fù)雜。如果流速小或時間短，在后果計算中可采用最初排放速度，否則應(yīng)計算其等效泄漏速度。 3)兩相流泄漏量 在過熱液體發(fā)生泄漏時，有時會出現(xiàn)氣、液兩相流動。均勻兩相流的泄漏速度可按下式計算： (8)式中 Q0兩相流泄漏速度，kg/s； Cd兩相流泄漏系數(shù)，可取08； A裂口面積，m2； P兩相混合物的壓力，Pa； Pc臨界壓力，Pa，可取pc=0.55Pa； 兩相混合物的平均密度，kg/m3，它由下式計算： (9) 1液體蒸發(fā)的蒸氣密度，kg/m3； 2液體密度，kg/m3；

11、Fv蒸發(fā)的液體占液體總量的比例，它由下式計算： (10) cp兩相混合物的定壓比熱，J/(kgK)； T兩相混合物的溫度，K； Tc臨界溫度，K； H液體的氣化熱，J/kg。當(dāng)Fv1時，表明液體將全部蒸發(fā)成氣體，這時應(yīng)按氣體泄漏公式計算；如果Fv很小，則可近似按液體泄漏公式計算。 2.3 泄漏后的擴散 如前所述，泄漏物質(zhì)的特性多種多樣，而且還受原有條件的強烈影響，但大多數(shù)物質(zhì)從容器中泄漏出來后，都可發(fā)展成彌散的氣團(tuán)向周圍空間擴散。對可燃?xì)怏w若遇到引火源會著火。這里僅討論氣團(tuán)原形釋放的開始形式，即液體泄漏后擴散、噴射擴散和絕熱擴散。關(guān)于氣團(tuán)在大氣中的擴散屬環(huán)境保護(hù)范疇，在此不予考慮。 1)液體的

12、擴散液體泄漏后立即擴散到地面，一直流到低洼處或人工邊界，如防火堤、岸墻等，形成液池。液體泄漏出來不斷蒸發(fā)，當(dāng)液體蒸發(fā)速度等于泄漏速度時，液池中的液體量將維持不變。如果泄漏的液體是低揮發(fā)度的，則從液池中蒸發(fā)量較少，不易形成氣團(tuán)，對廠外人員沒有危險；如果著火則形成池火災(zāi)；如果滲透進(jìn)土壤，有可能對環(huán)境造成影響，如果泄漏的是揮發(fā)性液體或低溫液體，泄漏后液體蒸發(fā)量大，大量蒸發(fā)在液池上面后會形成蒸氣云，并擴散到廠外，對廠外人員有影響。(1)液池面積 如果泄漏的液體已達(dá)到人工邊界，則液池面積即為人工邊界圍成的面積。如果泄漏的液體未達(dá)到人工邊界，則從假設(shè)液體的泄漏點為中心呈扁圓柱形在光滑平面上擴散，這時液池半

13、徑r用下式計算：瞬時泄漏(泄漏時間不超過30s)時， (11)連續(xù)泄漏(泄漏持續(xù)10min以上)時， (12)式中 r液池半徑，m； m泄漏的液體質(zhì)量，kg； g重力加速度，98ms2； p設(shè)備中液體壓力，Pa； t泄漏時間，s。 (2)蒸發(fā)量 液池內(nèi)液體蒸發(fā)按其機理可分為閃蒸、熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)3種，下面分別介紹。 閃蒸：過熱液體泄漏后，由于液體的自身熱量而直接蒸發(fā)稱為閃蒸。發(fā)生閃蒸時液體蒸發(fā)速度Q1可由下式計算： (13)式中 Fv直接蒸發(fā)的液體與液體總量的比例； m泄漏的液體總量，kg； t閃蒸時間，s。熱量蒸發(fā)：當(dāng)Fv1或Qtm時，則液體閃蒸不完全，有一部分液體在地面形成液池，并吸收地

14、面熱量而氣化，稱為熱量蒸發(fā)。熱量蒸發(fā)速度Q1按下式計算： (14)式中A1液池面積，m2；T0環(huán)境溫度，K；Tb液體沸點，K；H液體蒸發(fā)熱，Jkg；L液池長度，m；熱擴散系數(shù)，m2s，見表2；K導(dǎo)熱系數(shù)，J(mK)，見表2；t蒸發(fā)時間，s；Nu努舍爾特(Nusselt)數(shù)（努塞爾數(shù) ）。（是傳熱膜系數(shù)與特征長度L的乘積除以流體熱導(dǎo)率所得的數(shù)群。 具體取值多少？） 質(zhì)量蒸發(fā)：當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)鳠嵬Ｖ箷r，熱量蒸發(fā)終止，轉(zhuǎn)而由液池表面之上氣流運動使液體蒸發(fā)，稱為質(zhì)量蒸發(fā)。其蒸發(fā)速度Q1為： (15)式中 分子擴散系數(shù)，m2/s；（取值多少？ ） Sh舍伍德(Sherwood)數(shù)（是反映包含有待定傳質(zhì)系數(shù)的無因

15、次數(shù)群，類似于傳熱中的努塞特數(shù)，以符號Sh或Nsh表示。它是由三個物理量組成，即Sh=kL/DAB。式中：k為傳質(zhì)系數(shù)，m/s；L為特性尺寸，m；DAB為溶質(zhì)A在溶劑中B中的特性系數(shù)，m2/s。 ）； A液池面積，m2； L液池長度，m； 1液體的密度，kg/m3。2)噴射擴散氣體泄漏時從裂口噴出，形成氣體噴射。大多數(shù)情況下氣體直接噴出后，其壓力高于周圍環(huán)境大氣壓力，溫度低于環(huán)境溫度。在進(jìn)行氣體噴射計算時，應(yīng)以等價噴射孔口直徑計算。等價噴射的孔口直徑按下式計算：(16)式中D等價噴射孔徑，m；D0裂口孔徑，m；0泄漏氣體的密度，kg/m3；周圍環(huán)境條件下氣體的密度，kg/m3。如果氣體泄漏能瞬

16、間達(dá)到周圍環(huán)境的溫度、壓力狀況，即0=，則D=D0。(1)噴射的濃度分布。 在噴射軸線上距孔口x處的氣體的質(zhì)量濃度C(x)為： (17) 式中 b1，b2分布函數(shù)，b1=50.5+48.29.952，b2=23+41 。其余符號意義同前。 如果把式(17)改寫成x是C(x)的函數(shù)形式，則給定某質(zhì)量濃度值C(x)，就可算出具有濃度的點至孔口的距離x。在過噴射軸線上點x且垂直于噴射軸線的平面內(nèi)任一點處的氣體質(zhì)量濃度為： (18)式中 C(x，y)距裂口距離x且垂直于噴射軸線的平面內(nèi)y點的氣體濃度，kg/m3； C(x)噴射軸線上距裂口x處的氣體的質(zhì)量濃度，kg/m3； b2分布參數(shù)，同前； y目標(biāo)

17、點到噴射軸線的距離，m。(2)噴射軸線上的速度分布。噴射速度隨著軸線距離增大而減少，直到軸線上的某一點噴射速度等于風(fēng)速為止，該點稱為臨界點。臨界點以后的氣體運動不再符合噴射規(guī)律。沿噴射軸線上的速度分布由下式得出： (19)式中 0泄漏氣體的密度，kg/m3； 周圍環(huán)境條件下氣體的密度，kg/m3； D等價噴射孔徑，m； b1分布參數(shù)，同前； x噴射軸線上距裂口某點的距離，m； V（x）噴射軸線上距裂口x處一點的速度，m/s； V0 噴射初速，等于氣體泄漏時流出裂口時的速度，m/s，按下式計算 (20)Q0氣體泄漏速度，kgs；Cd氣體泄漏系數(shù)；D0裂口直徑，m。當(dāng)臨界點處的濃度小于允許濃度(如

18、可燃?xì)怏w的燃燒下限或有害氣體最高允許濃度)時，只需按噴射來分析；若該點濃度大于允許濃度時，則需要進(jìn)一步分析泄漏氣體在大氣中擴散的情況。 3)絕熱擴散 閃蒸液體或加壓氣體瞬時泄漏后，有一段快速擴散時間，假定此過程相當(dāng)快以致在混合氣團(tuán)和周圍環(huán)境之間來不及熱交換，則稱此擴散為絕熱擴散。根據(jù)TNO(1979年)提出的絕熱擴散模式，泄漏氣體(或液體閃蒸形成的蒸氣)的氣團(tuán)呈半球形向外擴散。根據(jù)濃度分布情況，把半球分成內(nèi)外兩層，內(nèi)層濃度均勻分布，且具有50的泄漏量；外層濃度呈高斯分布，具有另外50的泄漏量。絕熱擴散過程分為兩個階段，第一階段氣團(tuán)向外擴散至大氣壓力，在擴散過程中，氣團(tuán)獲得動能，稱為“擴散能”；

19、第二階段，擴散能再將氣團(tuán)向外推，使紊流混合空氣進(jìn)入氣團(tuán)，從而使氣團(tuán)范圍擴大。當(dāng)內(nèi)層擴散速度降到一定值時，可以認(rèn)為擴散過程結(jié)束。(1)氣團(tuán)擴散能。在氣團(tuán)擴散的第一階段，擴散的氣體(或蒸氣)的內(nèi)能一部分用來增加動能，對周圍大氣做功。假設(shè)該階段的過程為可逆絕熱過程，并且是等熵的。氣體泄漏擴散能。根據(jù)內(nèi)能變化得出擴散能計算公式如下： E=CV(T1T2)0.98P0(V2V1) (21)式中 E氣體擴散能，J； CV定容比熱，J/(kgK)； T1氣團(tuán)初始溫度，K； T2氣團(tuán)壓力降至大氣壓力時的溫度，K； P0環(huán)境壓力，Pa； V1氣團(tuán)初始體積，m3； V2氣團(tuán)壓力降至大氣壓力時的體積，m3。閃蒸液泄

20、漏擴散能。蒸發(fā)的蒸氣團(tuán)擴散能可以按下式計算：E=H1H2Tb(S1一S2)W0.98(P1P0)V1 (22)式中 E閃蒸液體擴散能，J； H1泄漏液體初始焓；Jkg； H2泄漏液體最終焓；Jkg； Tb 液體的沸點，K； S1液體蒸發(fā)前的熵，J(kgK)； S2液體蒸發(fā)后的熵，J(kgK)； W液體蒸發(fā)量，kg； P1初始壓力，Pa； P0周圍環(huán)境壓力，Pa； V1初始體積，m3。(2)氣團(tuán)半徑與濃度。在擴散能的推動下氣團(tuán)向外擴散，并與周圍空氣發(fā)生紊流混合。內(nèi)層半徑與濃度。氣團(tuán)內(nèi)層半徑R和濃度C是時間函數(shù)，表達(dá)如下： (23) (24)式中 t擴散時間,s；V0在標(biāo)準(zhǔn)溫度、壓力下氣體體積，m

21、3；Kd紊流擴散系數(shù)，按下式計算： (25) 如上所述，當(dāng)中心擴散速度(dR/dt)降到一定值時，第二階段才結(jié)束。臨界速度的選擇是隨機的且不穩(wěn)定的。設(shè)擴散結(jié)束時擴散速度為1 m/s，則在擴散結(jié)束時內(nèi)層半徑R1和濃度C可按下式計算： (26) (27)外層半徑與濃度。第二階段末氣團(tuán)外層的大小可根據(jù)試驗觀察得出，即擴散終結(jié)時外層氣團(tuán)半徑R2由下式求得： R2=1.456R1 (28)式中 R2，R1分別為氣團(tuán)內(nèi)層、外層半徑，m。 外層氣團(tuán)濃度自內(nèi)層向外呈高斯分布。 3 火 災(zāi) 易燃、易爆的氣體、液體泄漏后遇到引火源就會被點燃而著火燃燒。它們被點燃后的燃燒方式有池火、噴射火、火球和突發(fā)火4種。 3.

22、1 池 火 3.2 噴射火 3.3 火 球 3.4 突發(fā)火3.1 池 火可燃液體(如汽油、柴油等)泄漏后流到地面形成液池，或流到水面并覆蓋水面，遇到火源燃燒而成池火。1)燃燒速度當(dāng)液池中的可燃液體的沸點高于周圍環(huán)境溫度時，液體表面上單位面積的燃燒速度dm/dt為： (29)式中 dm/dt單位表面積燃燒速度，kg/ ( s)； Hc液體燃燒熱；J/kg； Cp液體的比定壓熱容；J/(kgK)； Tb液體的沸點，K； T0環(huán)境溫度，K； H液體的氣化熱，J/kg。當(dāng)液體的沸點低于環(huán)境溫度時，如加壓液化氣或冷凍液化氣，其單位面積的燃燒速度dm/dt為： (30)式中符號意義同前。 燃燒速度也可從手

23、冊中直接得到。表3列出了一些可燃液體的燃燒速度。表3 一些可燃液體的燃燒速度2)火焰高度設(shè)液池為一半徑為r的圓池子，其火焰高度可按下式計算： (31) 式中 h火焰高度；m； r液池半徑；m； 0周圍空氣密度，kg/m3； g重力加速度，9.8m/s2； dm/dt燃燒速度，kg/(s)。 3)熱輻射通量當(dāng)液池燃燒時放出的總熱輻射通量為： (32)式中 Q總熱輻射通量，W； 效率因子，可取0.130.35；其余符號意義同前。 4)目標(biāo)入射熱輻射強度假設(shè)全部輻射熱量由液池中心點的小球面輻射出來，則在距離池中心某一距離(X)處的入射熱輻射強度為： (33)式中 I熱輻射強度，W/； Q總熱輻射通量

24、；W； tc熱傳導(dǎo)系數(shù)，在無相對理想的數(shù)據(jù)時，可取值為1； X目標(biāo)點到液池中心距離，m。 3.2 噴射火加壓的可燃物質(zhì)泄漏時形成射流，如果在泄漏裂口處被點燃，則形成噴射火。這里所用的噴射火輻射熱計算方法是一種包括氣流效應(yīng)在內(nèi)的噴射擴散模式的擴展。把整個噴射火看成是由沿噴射中心線上的全部點熱源組成，每個點熱源的熱輻射通量相等。點熱源的熱輻射通量按下式計算： (34) 式中 q點熱源熱輻射通量，W； 效率因子，可取0.35； Q0泄漏速度，kg/s； Hc燃燒熱，J/kg。從理論上講，噴射火的火焰長度等于從泄漏口到可燃混合氣燃燒下限(LFL)的射流軸線長度。對表面火焰熱通量，則集中在LFL/1.5

25、處。對危險評價分析而言，點熱源數(shù)n一般取5就可以了。 射流軸線上某點熱源i到距離該點x處一點的熱輻射強度為： (35)式中 Ii點熱源i至目標(biāo)點x處的熱輻射強度，w/； q點熱源的輻射通量，W； R輻射率，可取0.2； x點熱源到目標(biāo)點的距離,m。某一目標(biāo)點處的入射熱輻射強度等于噴射火的全部點熱源對目標(biāo)的熱輻射強度的總和： (36)式中 n計算時選取的點熱源數(shù)，一般取n=5。 3.3 火球和爆燃 低溫可燃液化氣由于過熱，容器內(nèi)壓增大，使容器爆炸，內(nèi)容物釋放并被點燃，發(fā)生劇烈的燃燒，產(chǎn)生強大的火球，形成強烈的熱輻射。1)火球半徑 (37)式中 R火球半徑，m； M急劇蒸發(fā)的可燃物質(zhì)的質(zhì)量，kg。

26、2)火球持續(xù)時間 (38)式中 t火球持續(xù)時間，s。 3)火球燃燒時釋放出的輻射熱通量 (39)式中 Q火球燃燒時輻射熱通量，W； Hc燃燒熱，J/kg； 效率因子，取決于容器內(nèi)可燃物質(zhì)的飽和蒸氣壓P，； 其他符號同前。4)目標(biāo)接受到的入射熱輻射強度 (40)式中 Tc傳導(dǎo)系數(shù)，保守取值為1； x目標(biāo)距火球中心的水平距離，m；其他符號同前。 3.4 固體火災(zāi) 固體火災(zāi)的熱輻射參數(shù)按點源模型估計。此模型認(rèn)為火焰射出的能量為燃燒的一部分，并且輻射強度與目標(biāo)至火源中心距離的平方成反比，即： (41)式中 qr目標(biāo)接受到的輻射強度，W/； f輻射系數(shù)，可取f=0.25； Mc燃燒速率，kg/s； Hc

27、燃燒熱，J/kg； x目標(biāo)至火源中心間的水平距離，m。3.5 突發(fā)火泄漏的可燃?xì)怏w、液體蒸發(fā)的蒸氣在空中擴散，遇到火源發(fā)生突然燃燒而沒有爆炸。此種情況下，處于氣體燃燒范圍內(nèi)的室外人員將會全部燒死；建筑物內(nèi)將有部分人被燒死。突發(fā)火后果分析，主要是確定可燃混合氣體的燃燒上、下極限的邊界線及其下限隨氣團(tuán)擴散到達(dá)的范圍。為此，可按氣團(tuán)擴散模型計算氣團(tuán)大小和可燃混合氣體的濃度。3.6 火災(zāi)損失 火災(zāi)通過輻射熱的方式影響周圍環(huán)境。當(dāng)火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射強度足夠大時，可使周圍的物體燃燒或變形，強烈的熱輻射可能燒毀設(shè)備甚至造成人員傷亡等。 火災(zāi)損失估算建立在輻射通量與損失等級的相應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，表4為不同入射通量

28、造成傷害或損失的情況。表4 熱輻射的不同入射通量所造成的損失從表中可看出，在較小輻射等級時，致人重傷需要一定的時間，這時人們可以逃離現(xiàn)場或掩蔽起來。4 爆 炸 4.1 簡 述 爆炸是物質(zhì)的一種非常急劇的物理、化學(xué)變化，也是大量能量在短時間內(nèi)迅速釋放或急劇轉(zhuǎn)化成機械功的現(xiàn)象。它通常是借助于氣體的膨脹來實現(xiàn)。 從物質(zhì)運動的表現(xiàn)形式來看，爆炸就是物質(zhì)劇烈運動的一種表現(xiàn)。物質(zhì)運動急劇增速，由一種狀態(tài)迅速地轉(zhuǎn)變成另一種狀態(tài)，并在瞬間內(nèi)釋放出大量的能。 1)爆炸的特征般說來，爆炸現(xiàn)象具有以下特征：(1)爆炸過程進(jìn)行得很快；(2)爆炸點附近壓力急劇升高，產(chǎn)生沖擊波；(3)發(fā)出或大或小的響聲；(4)周圍介質(zhì)發(fā)

29、生震動或鄰近物質(zhì)遭受破壞。一般將爆炸過程分為兩個階段：第一階段是物質(zhì)的能量以一定的形式(定容、絕熱)轉(zhuǎn)變?yōu)閺妷嚎s能；第二階段強壓縮能急劇絕熱膨脹對外做功，引起作用介質(zhì)變形、移動和破壞。2)爆炸類型按爆炸性質(zhì)可分為物理爆炸和化學(xué)爆炸。物理爆炸就是物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)(溫度、壓力、體積)迅速發(fā)生變化，在瞬間放出大量能量并對外做功的現(xiàn)象。其特點是在爆炸現(xiàn)象發(fā)生過程中，造成爆炸發(fā)生的介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化，發(fā)生變化的僅是介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。例如鍋爐、壓力容器和各種氣體或液化氣體鋼瓶的超壓爆炸以及高溫液體金屬遇水爆炸等?；瘜W(xué)爆炸就是物質(zhì)由一種化學(xué)結(jié)構(gòu)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N化學(xué)結(jié)構(gòu)，在瞬間放出大量能量并對外做功的現(xiàn)象。如

30、可燃?xì)怏w、蒸氣或粉塵與空氣混合形成爆炸性混合物的爆炸?；瘜W(xué)爆炸的特點是：爆炸發(fā)生過程中介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，形成爆炸的能源來自物質(zhì)迅速發(fā)生化學(xué)變化時所釋放的能量?；瘜W(xué)爆炸有3個要素，即反應(yīng)的放熱性、反應(yīng)的快速性和生成氣體產(chǎn)物。雷電是一種自然現(xiàn)象，也是一種爆炸。從工廠爆炸事故來看，有以下幾種化學(xué)爆炸類型：(1)蒸氣云團(tuán)的可燃混合氣體遇火源突然燃燒，是在無限空間中的氣體爆炸；(2)受限空間內(nèi)可燃混合氣體的爆炸；(3)化學(xué)反應(yīng)失控或工藝異常所造成壓力容器爆炸；(4)不穩(wěn)定的固體或液體爆炸?？傊l(fā)生化學(xué)爆炸時會釋放出大量的化學(xué)能，爆炸影響范圍較大；而物理爆炸僅釋放出機械能，其影響范圍較小。4.2

31、 物理爆炸的能量 物理爆炸，如壓力容器破裂時，氣體膨脹所釋放的能量(即爆破能量)不僅與氣體壓力和容器的容積有關(guān)，而且與介質(zhì)在容器內(nèi)的物性相態(tài)相關(guān)。因為有的介質(zhì)以氣態(tài)存在，如空氣、氧氣、氫氣等；有的以液態(tài)存在，如液氨、液氯等液化氣體、高溫飽和水等。容積與壓力相同而相態(tài)不同的介質(zhì)，在容器破裂時產(chǎn)生的爆破能量也不同，而且爆炸過程也不完全相同，其能量計算公式也不同。 1)壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量當(dāng)壓力容器中介質(zhì)為壓縮氣體，即以氣態(tài)形式存在而發(fā)生物理爆炸時，其釋放的爆破能量為： (42)式中， Eg氣體的爆破能量，kJ；P容器內(nèi)氣體的絕對壓力，MPa；V容器的容積，m3；k氣體的絕熱指數(shù)，即氣體的定

32、壓比熱與定容比熱之比。常用氣體的絕熱指數(shù)數(shù)值見表5。 表5 常用氣體的絕熱指數(shù)從表中可看出，空氣、氮、氧、氫及一氧化氮、一氧化碳等氣體的絕熱指數(shù)均為1.4或近似1.4若用k=1.4代入式(42)中。（43)則式(43)可簡化為：Eg=CgV (44)式中 Cg常用壓縮氣體爆破能量系數(shù)，kJm3。令壓縮氣體爆破能量Cg是壓力的函數(shù)，各種常用壓力下的氣體爆破能量系數(shù)列于表6中。 表6 常用壓力下的氣體容器爆破能量系數(shù)(k=14時)若將k=1.135代入式(42)，可得干飽和蒸氣容器爆破能量為： 用上式計算有較大的誤差，因為它沒有考慮蒸氣干度的變化和其他的一些影響，但它可以不用查明蒸氣熱力性質(zhì)而直接

33、進(jìn)行計算，因此可供危險性評價參考。對于常用壓力下的干飽和蒸氣容器的爆破能量可按下式計算： Es=CsV (46)式中 Es水蒸氣的爆破能量，kJ； V水蒸氣的體積，m3； Cs干飽和水蒸氣爆破能量系數(shù)，kJ/m3。各種常用壓力下的干飽和水蒸氣容器爆破能量系數(shù)列于表7中。（45）表7 常用壓力下干飽和水蒸氣容器爆破能量系數(shù)2)介質(zhì)全部為液體時的爆破能量通常將液體加壓時所做的功作為常溫液體壓力容器爆炸時釋放的能量，計算公式如下： (47) 式中 EL常溫液體壓力容器爆炸時釋放的能量，kJ； p液體的壓力(絕)，Pa; V容器的體積，m3； 液體在壓力p和溫度T下的壓縮系數(shù)，系數(shù)如何求得？3)液化氣

34、體與高溫飽和水的爆破能量液化氣體和高溫飽和水一般在容器內(nèi)以氣液兩態(tài)存在，當(dāng)容器破裂發(fā)生爆炸時，除了氣體的急劇膨脹做功外，還有過熱液體激烈的蒸發(fā)過程。在大多數(shù)情況下，這類容器內(nèi)的飽和液體占有容器介質(zhì)質(zhì)量的絕大部分，它的爆破能量比飽和氣體大得多，般計算時考慮氣體膨脹做的功。過熱狀態(tài)下液體在容器破裂時釋放出的爆破能量可按下式計算： E=(H1H2)(S1S2)T1W(48)式中 E過熱狀態(tài)液體的爆破能量，kJ； H1爆炸前飽和液體的焓，kJ/kg； H2在大氣壓力下飽和液體的焓，kJ/kg； S1爆炸前飽和液體的熵，kJ/(kg)； S2在大氣壓力下飽和液體的熵，kJ/(kg)； T1介質(zhì)在大氣壓力

35、下的沸點，kJ/(kg)； W飽和液體的質(zhì)量，kg。飽和水容器的爆破能量按下式計算： Ew=CwV (49)式中 Ew飽和水容器的爆破能量，kJ； V容器內(nèi)飽和水所占的容積，m3； Cw飽和水爆破能量系數(shù)，kJ/m3，其值見表8。表8 常用壓力下飽和水爆破能量系數(shù)4.3 爆炸沖擊波及其傷害、破壞作用壓力容器爆炸時，爆破能量在向外釋放時以沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來。后二者所消耗的能量只占總爆破能量的315，也就是說大部分能量是產(chǎn)生空氣沖擊波。1)爆炸沖擊波沖擊波是由壓縮波疊加形成的，是波陣面以突進(jìn)形式在介質(zhì)中傳播的壓縮波。容器破裂時，器內(nèi)的高壓氣體大量沖出，使它周圍的

36、空氣受到?jīng)_擊波而發(fā)生擾動，使其狀態(tài)(壓力、密度、溫度等)發(fā)生突躍變化，其傳播速度大于擾動介質(zhì)的聲速，這種擾動在空氣中的傳播就成為沖擊波。在離爆破中心一定距離的地方，空氣壓力會隨時間發(fā)生迅速而懸殊的變化。開始時，壓力突然升高，產(chǎn)生一個很大的正壓力，接著又迅速衰減，在很短時間內(nèi)正壓降至負(fù)壓。如此反復(fù)循環(huán)數(shù)次，壓力漸次衰減下去。開始時產(chǎn)生的最大正壓力即是沖擊波波陣面上的超壓P。多數(shù)情況下，沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的。超壓P可以達(dá)到數(shù)個甚至數(shù)十個大氣壓。沖擊波傷害、破壞作用準(zhǔn)則有：超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則、超壓沖量準(zhǔn)則等。為了便于操作，下面僅介紹超壓準(zhǔn)則。超壓準(zhǔn)則認(rèn)為，只要沖擊波超壓達(dá)到一定值，便

37、會對目標(biāo)造成一定的傷害或破壞。超壓波對人體的傷害和對建筑物的破壞作用見表9和表10。表9 沖擊波超壓對人體的傷害作用表10 沖擊波超壓對建筑物的破壞作用2)沖擊波的超壓沖擊波波陣面上的超壓與產(chǎn)生沖擊波的能量有關(guān)，同時也與距離爆炸中心的遠(yuǎn)近有關(guān)。沖擊波的超壓與爆炸中心距離的關(guān)系為： (50)式中 p沖擊波波陣面上的超壓，MPa； R距爆炸中心的距離，m； n衰減系數(shù)。衰減系數(shù)在空氣中隨著超壓的大小而變化，在爆炸中心附近為2.53；當(dāng)超壓在數(shù)個大氣壓以內(nèi)時，n=2；小于1個大氣壓，n=1.5。實驗數(shù)據(jù)表明，不同數(shù)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時，如果距離爆炸中心的R之比與炸藥量q三次方根相等，則所產(chǎn)生的沖擊

38、波超壓相同，用公式表示如下：若則 (51)式中 R目標(biāo)與爆炸中心距離，m； R0目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的相當(dāng)距離，m； q0基準(zhǔn)炸藥量，TNT，kg； q爆炸時產(chǎn)生沖擊波所消耗的炸藥量，TNT，kg； p目標(biāo)處的超壓，MPa； p0基準(zhǔn)目標(biāo)處的超壓，MPa； 炸藥爆炸試驗的模擬比。 上式也可寫成為：p(R)=p0(R/a)(52)利用式(52)就可以根據(jù)某些已知藥量的試驗所測得的超壓來確定任意藥量爆炸時在各種相應(yīng)距離下的超壓。表11是1000kgTNT炸藥在空氣中爆炸時所產(chǎn)生的沖擊波超壓。表11 1 000kgTNT爆炸時的沖擊波超壓 綜上所述，計算壓力容器爆破時對目標(biāo)的傷害、破壞作用，可按下列程

39、序進(jìn)行。(1)首先根據(jù)容器內(nèi)所裝介質(zhì)的特性，分別選用式(43)至式(49)計算出其爆破能量E。(2)將爆破能量q換算成TNT當(dāng)量q。因為1 kg TNT爆炸所放出的爆破能量為4 2304 836kJ/kg，一般取平均爆破能量為4500kJ/kg，故其關(guān)系為： (53)(3)按式(51)求出爆炸的模擬比，即： (54) (4)求出在1000kg TNT爆炸試驗中的相當(dāng)距離R0，即R0=R/。(5)根據(jù)R0值在表11中找出距離為R0處的超壓p0 (中間值用插入法)，此即所求距離為R處的超壓。(6)根據(jù)超壓p值，從表9、表10中找出對人員和建筑物的傷害、破壞作用。3)蒸氣云爆炸的沖擊波傷害、破壞半徑

40、爆炸性氣體以液態(tài)儲存，如果瞬間泄漏后遇到延遲點火或氣態(tài)儲存時泄漏到空氣中，遇到火源，則可能發(fā)生蒸氣云爆炸。導(dǎo)致蒸氣云形成的力來自容器內(nèi)含有的能量或可燃物含有的內(nèi)能，或兩者兼而有之。“能”的主要形式是壓縮能、化學(xué)能或熱能。一般說來，只有壓縮能和熱量才能單獨導(dǎo)致形成蒸氣云。根據(jù)荷蘭應(yīng)用科研院(TNO(1979)建議，可按下式預(yù)測蒸氣云爆炸的沖擊波的損害半徑： (55)式中， R損害半徑，m； E爆炸能量，kJ，可按下式?。?E=VHc (56) V參與反應(yīng)的可燃?xì)怏w的體積，m3； Hc可燃?xì)怏w的高燃燒熱值，kJ/m3，取值情況見表12； N效率因子，其值與燃燒濃度持續(xù)展開所造成損耗的比例和燃料燃燒所得機械能的數(shù)量有關(guān)，一般取N=10%； Cs經(jīng)驗常數(shù)，取決于損害等級，其取值情況見表13。表12 某些氣體的高燃燒熱熱值kJ/m3表13 損害等級表5 中毒 有毒物質(zhì)泄漏后生成有毒蒸氣云，它在空氣中飄移、擴散，直接影響現(xiàn)場人員，并可能波及居民區(qū)。大量劇毒物質(zhì)泄漏可能帶來嚴(yán)重的人員傷亡和環(huán)境污染。 毒物對人員的危害程度取決于毒物的性質(zhì)、毒物的濃度和人員與毒物接觸時間等因素。有毒物