重大事故后果分析方法：泄漏

重大事故后果分析方法：泄漏

事故后果分析是平安評價(jià)的一個(gè)重要組成局部，其目的在于定量地描述一個(gè)可能發(fā)生的重大事故對工廠、廠內(nèi)職工、廠外居民，甚至對環(huán)境造成危害的嚴(yán)重程度。分析結(jié)果為企業(yè)或企業(yè)主管部門提供關(guān)于重大事故后果的信息，為企業(yè)決策者和設(shè)計(jì)者提供關(guān)于決策采取何種防護(hù)措施的信息，如防火系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)或減壓系統(tǒng)等的信息，以到達(dá)減輕事故影響的目的?；馂?zāi)、爆炸、中毒是常見的重大事故，可能造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失，影響社會(huì)安定。世界銀行國際信貸公司(IFC)編寫的?工業(yè)污染事故評價(jià)技術(shù)手冊?中提出的易燃、易爆、有毒物質(zhì)的泄漏、擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸、中毒等重大工業(yè)事故的事故模型和計(jì)算事故后果嚴(yán)重度的公式，主要用于工業(yè)污染事故的評價(jià)。該方法涉及內(nèi)容，也可用于火災(zāi)、爆炸、毒物泄漏中毒等重大事故的事故危險(xiǎn)、危害程度的評價(jià)。

由于設(shè)備損壞或操作失誤引起泄漏從而大量釋放易燃、易爆、有毒有害物質(zhì)，可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒等重大事故發(fā)生。

1泄漏情況

1．1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)備分類，通常歸納為：管道、撓性連接器、過濾器、閥門、壓力容器或反響器、泵、壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐、加壓或冷凍氣體容器及火炬燃燒裝置或放散管等十類。一個(gè)工廠可能有各種特殊設(shè)備，但其與一般設(shè)備的差異很小，可以容易地將其劃歸至所屬的類型中去。圖6—1～圖6—10提供了各類設(shè)備的典型損壞情況及裂口尺寸，可供后果分析時(shí)參考。這里所列出的損壞典型，僅代表事故后果分析的最根本的典型損壞。評價(jià)人員還可以增加其他一些損壞的形式和尺寸，例如閥的泄漏、開啟式貯罐滿溢等人為失誤事故，也可以作為某些設(shè)備的一種損壞形式。

1．2泄漏后果分析一旦泄漏，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，如圖6—11所示。

可燃?xì)怏w泄漏后與空氣混合到達(dá)燃燒極限時(shí)，遇到引火源就會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。泄漏后起火的時(shí)間不同，泄漏后果也不相同：1)立即起火?？扇?xì)怏w沉著器中往外泄出時(shí)即被點(diǎn)燃，發(fā)生擴(kuò)散燃燒，產(chǎn)生噴射性火焰或形成火球，它能迅速地危及泄漏現(xiàn)場，但很少會(huì)影響到廠區(qū)的外部。2)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)生爆燃或爆炸，能引起較大范圍的破壞。(2)有毒氣體泄漏，如圖6—12所示。

有毒氣體泄漏后形成云團(tuán)在空氣中擴(kuò)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，如圖6—13和圖6—14所示。

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)：1)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，液體由于地外表風(fēng)的對流而緩慢蒸發(fā)，如遇引火源就會(huì)發(fā)生池火災(zāi)。2)加壓液化氣體泄漏。一些液體泄漏時(shí)將瞬時(shí)蒸發(fā)，剩下的液體將形成一個(gè)液池，吸收周圍的熱量繼續(xù)蒸發(fā)。液體瞬時(shí)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)。3)低溫液體泄漏。這種液體泄漏時(shí)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(shí)間長短有關(guān)。

2泄漏量的計(jì)算當(dāng)發(fā)生泄漏的設(shè)備的裂口是規(guī)那么的，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)時(shí)，可根據(jù)流體力學(xué)中的有關(guān)方程式計(jì)算泄漏量。當(dāng)裂口不規(guī)那么時(shí)，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(shí)，往往采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

2．1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(jì)算，其泄漏速度為：式中Qo——液體泄漏速度，kg／s；Cd——液體泄漏系數(shù)，按表6—1選??；A——裂口面積，m2；ρ——泄漏液體密度，kg／m3；P——容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；Po——環(huán)境壓力，Pa；g——重力加速度，g=9．8m／s2；h——裂口之上液位高度，m。

表6—1液體泄漏系數(shù)Cd

對于常壓下的液體泄漏速度，取決于裂口之上液位的上下；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)境壓力之差和液位上下。當(dāng)容器內(nèi)液體是過熱液體，即液體的沸點(diǎn)低于周圍環(huán)境溫度，液體流過裂口時(shí)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(diǎn)。在這種情況下，泄漏時(shí)直接蒸發(fā)的液體所占百分比F可按下式計(jì)算：式中Cp——液體的定壓比熱，J／(kg·K)；T——泄漏前液體的溫度，K；To——液體在常壓下的沸點(diǎn)，K；H——液體的氣化熱，J／kg。按式6—2計(jì)算的結(jié)果，幾乎總是在0～1之間。事實(shí)上，泄漏時(shí)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缺乏以使其蒸發(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(yàn)，當(dāng)F>0．2時(shí)，一般不會(huì)形成液池；當(dāng)F<0．2時(shí)，F(xiàn)與帶走液體之比有線性關(guān)系，即當(dāng)F=0時(shí)，沒有液體帶走(蒸發(fā))；當(dāng)F=0．1時(shí)，有50％的液體被帶走。

2．2氣體泄漏量氣體從裂口泄漏的速度與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。因此，計(jì)算泄漏量時(shí)首先要判斷泄漏時(shí)氣體流動(dòng)屬于音速還是亞音速流動(dòng)。前者稱為臨界流，后者稱為次臨界流。當(dāng)下式成立時(shí)，氣體流動(dòng)屬音速流動(dòng)：當(dāng)下式成立時(shí)，氣體流動(dòng)屬亞音速流動(dòng)：式中Po、P——符號(hào)意義同前；k——?dú)怏w的絕熱指數(shù)，即定壓熱容～與定容熱容Cv之比。氣體呈音速流動(dòng)時(shí)，其泄漏量為：氣體呈亞音速流動(dòng)時(shí)，其泄漏量為：式中Cd——?dú)怏w泄漏系數(shù)，當(dāng)裂口形狀為圓形時(shí)取1．00，三角形時(shí)取0．95，長方形時(shí)取0．90；M——相對分子質(zhì)量；R——?dú)怏w常數(shù)，J／(mol·K)；T——?dú)怏w溫度，K；Y——?dú)怏w膨脹因子，由下式計(jì)算：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(shí)，泄漏速度的計(jì)算比擬復(fù)雜。如果流速小或時(shí)間短，在后果計(jì)算中可采用最初排放速度，否那么應(yīng)計(jì)算其等效泄漏速度。

2．3兩相流泄漏量在過熱液體發(fā)生泄漏時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣、液兩相流動(dòng)。均勻兩相流的泄漏速度可按下式計(jì)算：式中Qo——兩相流泄漏速度，kg／s；Cd——兩相流泄漏系數(shù)，可取0．8；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；ρ——兩相混合物的平均密度，kg／m3，由下式計(jì)算：式中ρ1——液體蒸發(fā)的蒸氣密度，kg／m3；ρ2——液體密度，kg／m3；Fv——蒸發(fā)的液體占液體總量的比例，由下式計(jì)算：式中Cp——兩相混合物的定壓比熱，J／(kg·K)；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)Fv>1時(shí)，說明液體將全部蒸發(fā)成氣體，這時(shí)應(yīng)按氣體泄漏公式計(jì)算；如果Fv很小，那么可近似地按液體泄漏公式計(jì)算。

3泄漏后的擴(kuò)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(qiáng)烈影響，但大多數(shù)物質(zhì)沉著器中泄漏出來后，都將開展成彌散的氣團(tuán)向周圍空間擴(kuò)散。對可燃?xì)怏w如果遇到引火源會(huì)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(kuò)散、噴射擴(kuò)散和絕熱擴(kuò)散。關(guān)于氣團(tuán)在大氣中的擴(kuò)散屬環(huán)境保護(hù)范疇，在此不予考慮。

3．1液體的擴(kuò)散液體泄漏后立即擴(kuò)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(shí)，液化中的液體量將維持不變。如果泄漏的液體是低揮發(fā)度的，那么從液池中蒸發(fā)量較少，不易形成氣團(tuán)，對廠外人員沒有危險(xiǎn)；如果著火那么形成池火災(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(huì)形成蒸氣云，并擴(kuò)散到廠外，對廠外人員有影響。A液池面積如果泄漏的液體已到達(dá)人工邊界，那么液池面積即為人工邊界圍成的面積。如果泄漏的液體未到達(dá)人工邊界，那么可假設(shè)液體的泄漏點(diǎn)為中心呈扁圓柱形在光滑平面上擴(kuò)散，這時(shí)液池半徑r用下式計(jì)算：(1)瞬時(shí)泄漏(泄漏時(shí)間不超過30s)時(shí)：(2)連續(xù)泄漏(泄漏持續(xù)10min以上)時(shí)：式中r——液池半徑，m；m——泄漏的液體量，kg；g——重力加速度，g=9．8m／s2；t——泄漏時(shí)間，s。B蒸發(fā)量液池內(nèi)液體蒸發(fā)按其機(jī)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：(1)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(shí)液體蒸發(fā)速度Q可由下式計(jì)算：Q=Fvm／J(6—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(shí)間，s。(2)熱量蒸發(fā)：當(dāng)Fv<1或Qt<m時(shí)，那么液體閃蒸不完全，有一局部液體在地面形成液池，并吸收地面熱量而氣化稱為熱量蒸發(fā)，其蒸發(fā)速度Q按下式計(jì)算：式中A1——液池面積，m2；To——環(huán)境溫度，K；Tb——液體沸點(diǎn)，K；H——液體蒸發(fā)熱，J／kg；L——液池長度，m；α——熱擴(kuò)散系數(shù)，m2／s，見表6-2所示；K——導(dǎo)熱系數(shù)，J／(m·K)，如表6-2所示；

表6—2某些地面的熱傳遞性質(zhì)

t——蒸發(fā)時(shí)間，s；Nu——努塞爾(Nusselt)數(shù)。(3)質(zhì)量蒸發(fā)：當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)鳠嵬Ｖ箷r(shí)，熱量蒸發(fā)終了，轉(zhuǎn)而由液池外表之上氣流運(yùn)動(dòng)使液體蒸發(fā)稱為質(zhì)量蒸發(fā)。其蒸發(fā)速度Q為：式中α——分子擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；Sh——舍伍德(Sherwood)數(shù)；A——液池面積，m2；L——液池長度，m；ρ1——液體的密度，kg／m3。

3．2噴射擴(kuò)散氣體泄漏時(shí)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)行噴射計(jì)算時(shí)，應(yīng)以等價(jià)噴射孔口直徑來計(jì)算。等價(jià)噴射的孔口直徑按下式計(jì)算：式中D——等價(jià)噴射孔徑，m；Do——裂口孔徑，m；ρo——泄漏氣體的密度，kg／m3；ρ——周圍環(huán)境條件下氣體的密度，kg／m3。如果氣體泄漏能瞬間到達(dá)周圍環(huán)境的溫度、壓力狀況，即ρo=ρ，那么D=Do。A噴射的濃度分布在噴射軸線上距孔口x處的氣體濃度c(x)為：式中b1、b2——分布函數(shù)，其表達(dá)式如下：其他符號(hào)意義同前。如果把式6—17改寫成x是c(x)的函數(shù)形式，那么給定某濃度值c(x)，就可算出具有該濃度的點(diǎn)至孔口的距離x。在過噴射軸線上點(diǎn)x且垂直于噴射軸線的平面內(nèi)任一點(diǎn)處的氣體濃度為：式中c(xy)——距裂口距離x且垂直于噴射軸線的平面內(nèi)y點(diǎn)的氣體濃度，kg／m3；c(x)——噴射軸線上距裂口x處的氣體濃度，kg／m3；b2——分布參數(shù)，同前；y——目標(biāo)點(diǎn)到噴射軸線的距離，m。B噴射軸線上的速度分布噴射速度隨著軸線距離增大而減小，直到軸線上的某一點(diǎn)噴射速度等于風(fēng)速為止。該點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，臨界點(diǎn)以后的氣體運(yùn)動(dòng)不再符合噴射規(guī)律。沿噴射軸線的速度分布由下式得出：式中ρ0——泄漏氣體的密度，kg／m3；ρ——周圍環(huán)境條件下氣體的密度，kg／m3；D——等價(jià)噴射孔徑，m；b1——分布參數(shù)，同前；x——噴射軸線上距裂口某點(diǎn)的距離，m；υ(x)——噴射軸線上距裂口J處一點(diǎn)的速度，m／s；υ0——噴射初速，等于氣體泄漏時(shí)流經(jīng)裂口時(shí)的速度，m／s，按下式計(jì)算：式中Q——?dú)怏w泄漏速度，kg／s；Cd——?dú)怏w泄漏系數(shù)；D——裂口直徑，m。當(dāng)臨界點(diǎn)處的濃度小于允許濃度(如可燃?xì)怏w的燃燒下限或有害氣體最高允許濃度)時(shí)，只需按噴射擴(kuò)散來分析；當(dāng)該點(diǎn)濃度大于允許濃度時(shí)，那么需要進(jìn)一步分析泄漏氣體在大氣中擴(kuò)散的情況。

3．3絕熱擴(kuò)散閃蒸液體或加壓氣體瞬時(shí)泄漏后，有一段快速擴(kuò)散時(shí)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，那么此擴(kuò)散稱為絕熱擴(kuò)散。根據(jù)TNO(1979年)提出的絕熱擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散過程分為兩個(gè)階段：第一階段，氣團(tuán)向外擴(kuò)散至大氣壓力，在擴(kuò)散過程中，氣團(tuán)獲得動(dòng)能，稱為“擴(kuò)散能〞；第二階段，擴(kuò)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(kuò)大。當(dāng)內(nèi)層擴(kuò)散速度降到一定值時(shí)，可以認(rèn)為擴(kuò)散過程結(jié)束。A氣團(tuán)擴(kuò)散能在氣團(tuán)擴(kuò)散的第一階段，擴(kuò)散的氣體(或蒸氣)的內(nèi)能一局部用來增加動(dòng)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。a氣體泄漏擴(kuò)散能根據(jù)內(nèi)能變化得出擴(kuò)散能計(jì)算公式如下：式中E——?dú)怏w擴(kuò)散能，J；Cv——定容比熱，J／(kg·K)；T1——?dú)鈭F(tuán)初始溫度，K；T2——?dú)鈭F(tuán)壓力降至大氣壓力時(shí)的溫度，K；p0——環(huán)境壓力，