Вопрос 11

Вопрос 1. Определение количества горючих веществ, выходящих наружу при локальном повреждении и полном разрушении технологического оборудования с горючими газами, жидкостями и пылевидными материалами

Наибольшую опасность для производства представляют повреждения и аварии технологического оборудования и трубопроводов, в результате которых значительное количество горючих веществ выходит наружу, вызывая опасные скопления паров и газов в помещениях, загазованность открытых территорий, разлив жидкостей на большие площади.

Если в поврежденных аппаратах и трубопроводах горючие вещества нагреты выше температуры самовоспламенения, то при выходе наружу и соприкосновении с воздухом произойдет их загорание. Если же выходящее из поврежденных аппаратов или трубопроводов горючее вещество нагрето ниже температуры самовоспламенения, но выше температуры вспышки (для жидкостей), то произойдет образование горючих смесей паров или газов с воздухом. Повреждения аппаратов и трубопроводов могут носить местный (локальный) характер (образование трещин, свищей, сквозных отверстий от коррозии, прогары теплообменной поверхности, выжимание прокладок фланцевых соединений и т.п.), но может происходить и полное разрушение аппарата или трубопровода.

Возможные причины выхода горючих веществ из аппаратов и трубопроводов следует определять по технологическому регламенту, путем опроса технического персонала, осмотра аппаратов и трубопроводов, обобщения материалов по фактам производственных аварий.

Повреждения аппаратов и трубопроводов могут носить местный, т. е. локальный, характер (образование трещин, свищей, сквозных отверстий от коррозии, прогары теплообменной поверхности, выжимание прокладок фланцевых соединений и т. п.), но может происходить и полное разрушение аппарата или трубопровода. В первом случае через образовавшееся отверстие почти под постоянным давлением продукт в виде струй пара, газа или жидкости будет выходить наружу. Во втором случае все содержимое аппарата сразу выйдет наружу и, кроме того, будет продолжаться истечение газа или жидкости из соединенных с ним трубопроводов.

Чтобы решить, какой вид повреждения является наиболее специфичным для данного производства и какой из аппаратов будет являться наиболее опасным при разрушении, необходимо исходить из результатов анализа возможных причин повреждений и аварий, методика выявления которых изложена в последующих главах. При этом необходимо учитывать случаи повреждений и аварий как на данном объекте, так и на других объектах, родственных ему по технологии.

Иногда для определения наиболее вероятного повреждения применимы вероятностные методы математической статистики. Если учесть размеры и режим работы технологического оборудования, сроки его службы и коэффициенты запаса, то согласно закону Пуассона можно определить, через какой период эксплуатации следует ожидать появление аварийного случая и в какой группе аппаратов это вероятнее всего произойдет.

Локальные повреждения аппаратов

Если известны размеры повреждения, то количество выходящих наружу веществ можно определить по следующей формуле:

Рекомендуемые материалы

G=ƒωγτ              (3.1)

где G — количество горючего вещества, выходящего    наружу, кг;

f — площадь отверстия, через которое выходит вещество наружу, м²

w — скорость  истечения  вещества   из  отверстия,  м/сек;

 у — удельный вес вещества, кг/м³;

 — длительность истечения, сек.

Площадь поврежденного участка аппарата или трубопровода следует принимать с учетом конструктивных особенностей их устройства, а также причин и характера повреждения. При расследовании повреждений площадь поврежденного участка может быть установлена достаточно точно.

Длительность истечения вещества из поврежденного аппарата т складывается из времени от начала истечения до момента обнаружения повреждения ₁, длительности подготовительных операций к прекращению утечки ₂ и длительности операций по прекращению утечки ₃ (закрытие задвижек, установка пробок, хомутов и т. п.), т. е.

τ = τ₁ + τ₂ + τ₃

Величина каждого из этих слагаемых в свою очередь зависит от многих факторов.

Так, при условии постоянного наличия обслуживающего персонала в помещении, в случае качественного пожарно-профилактического надзора или при наличии стационарных средств контроля за величиной концентрации паров и газов в воздухе период времени τ, будет очень мал и его можно считать равным нулю. Величины ₂ и ₃ зависят от характера повреждения, режима работы аппарата, подготовленности обслуживающего персонала, технической оснащенности средствами противопожарной защиты и т. п. В среднем можно принимать  = 15-30 мин.

Скорость истечения веществ через отверстия круглой формы определяется по законам гидродинамики. Отверстия, отличающиеся по форме от круглого, должны быть приведены к круглому сечению.

Истечение жидкости. Скорость истечения через отверстие в корпусе аппарата или трубопровода при постоянном давлении с учетом трения и коэффициента сужения струи равна

ω=μ√¯2gH               (3.3)

где w — скорость истечения жидкости, м/сек;

 — коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и трение;

g — ускорение силы тяжести, м/сек²;

Н — давление, при котором  происходит истечение  жидкости, м вод.ст.

Если истечение происходит только под давлением столба жидкости (рис. 3.1, а), то Н будет равно разности отметок от уровня жидкости до места повреждения. Если аппарат работает под избыточным давлением  (рис. 3.1, б), то

Н = Н_ж+10 Р_Раб(где Р_раб — величина рабочего давления в атм, а

   и     — удельные веса жидкости и воды в кг/м3).

Коэффициенты расхода  в зависимости от величины вязкоcти жидкости при истечении ее через круглые отверстия (по данным проф. Н. А. Чарного) приведены в таблице.

Зная скорость и время истечения, по формуле (3.1) находим количество жидкости.

Выходящая наружу жидкость растекается, и, если она нагрета выше температуры вспышки, образуются местные взрывоопасные смеси паров с воздухом. Зная площадь, на которой разлилась жидкость, и время, в течение которого она не убиралась, можно найти количество испарившейся жидкости.

Истечение газа и пара. Истечение пара и газа через отверстия под давлением сопровождается их политропическим расширением и происходит с дозвуковой или звуковой скоростью в зависимости от соотношения давлений окружающей среды Р_о и газа в аппарате Р.

Режим истечения, со звуковой скоростью характерен максимальной величиной скорости истечения газа при дайной величине показателя политропы и начального давления Р.

Истечение со звуковой скоростью будет в тех случаях, если Р ≥ Ркр. Отношение

     (3.4)

называется критическим отношением и обозначается υ. Для одноатомных газов υ = 0,489, для двухатомных υ =0,528 для многоатомных υ  = 0,548.

Таким образом, если ,

то истечение будет с дозвуковой скоростью, величина которой определится по формуле:

              (3.5)

 Если , то истечение будет со звуковой скоростью.

Если в формулу  (3.5) вместо , подставить значения

из формулы (3.4), можно получить скорость при звуковом режиме истечения :

                  (3.6)

где Р_Кр — критическое давление, kг /м²;

 k — отношение С_р /С_v;

 V — удельный объем газа с поправкой   на температуру,м³/кг;

  — коэффициент  расхода,   'принимаемый в пределах от 0,7 до 0,9.

 Последняя формула может быть упрощена, тогда

Для двухатомных веществ

;

Для многоатомных веществ       (3.7)

где R — газовая постоянная, кГм/кг град.

Зная скорость истечения, можно определить количество пара или газа, выходящих наружу при повреждении аппарата:

Для двухатомных веществ   ;

Для многоатомных веществ   .             (3.8)

Для аппаратов, работающих под разряжением, примерное количество воздуха (V м³/сек), подсасываемого через неплотности и повреждения, можно определить по формуле:

,               (3.9)

Где  ƒ  площадь отверстия, через которое подсасывается    воздух, м²;

Н — величина разряжения,  кГ/м² (что численно равно мм вод. ст.).

Разрушение аппаратов или трубопроводов.

Как было сказано выше, при больших повреждениях ориентировочно можно считать, что все количество огнеопасных продуктов, находящихся в аварийной системе, выходит наружу. Дополнительно к этому истечение продукта будет продолжаться из питающих трубопроводов до момента их отключения.

При наличии на линиях автоматически закрывающихся 'при аварии задвижек, обратных или скоростных клапанов время перекрытия трубопроводов минимально и приближается к нулю, а при наличии задвижек ручного действия  5-15 мин. Максимальное количество продукта, которое при этом может выйти наружу, определится следующим образом:

,         (3.10)

где G_ап — количество  веществ,  выходящих    при    разрушении аппарата, кг;

G'_тр   — количество веществ, выходящих через трубопроводы до момента их отключения, кг;

G"_ТР   — количество веществ, выходящих из трубопроводов после закрытия задвижек, кг.

Определение количества горючих пылей поступающих в помещение в результате аварии.

Расчетная масса взвешенной в объеме помещения пыли m, кг, образовавшейся в результате аварийной ситуации, определяется по формуле

т = т_вз + т_ав                             (1)

где т_вз расчетная масса взвихрившейся пыли, кг; т_ав расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, кг.

Расчетная масса взвихрившейся пыли m_вз определяется по формуле

т_вз = К_вз т_п,                       (2)

где К_вз – доля отложившейся в помещении пыли, способной перейти во взвешенное состояние в результате аварийной ситуации. При отсутствии экспериментальных сведений о величине К_вз допускается полагать К_вз = 0,9;

т_п – масса отложившейся в помещении пыли к моменту аварии, кг.

Расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, m_ав, определяется по формуле

т_ав = (т_ап + qT)К_п,                (3)

где т_ап – масса горючей пыли, выбрасываемой в помещение из аппарата, кг;

q – производительность, с которой продолжается поступление пылевидных веществ в аварийный аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг с^-1;

 Т – время отключения ( Количество поступивших в помещение веществ, которые могут образовать взрывоопасные газовоздушные или паровоздушные смеси, определяется исходя из следующих предпосылок: происходит одновременно утечка веществ из трубопроводов, питающих аппарат, по прямому и обратному потокам в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов), с;

К_n – коэффициент пыления, представляющий отношение массы взвешенной в воздухе пыли ко всей массе пыли, поступившей из аппарата в помещение. При отсутствии экспериментальных сведений о величине К_n допускается полагать:

- для пылей с дисперсностью не менее 350 мкм – К_п = 0,5;

- для пылей с дисперсностью менее 350 мкм – К_п = 1,0.

Величина т_ап принимается в соответствии с:1) При расчете значений критериев взрывопожарной опасности в качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором во взрыве участвует наибольшее количество веществ или материалов, наиболее опасных в отношении последствий взрыва. 2) Количество пыли, которое может образовать взрывоопасную смесь, определяется из следующих предпосылок:

а) расчетной аварии предшествовало пыленакопление в производственном помещении, происходящее в условиях нормального режима работы (например, вследствие пылевыделения из негерметичного производственного оборудования);

б) в момент расчетной аварии произошла плановая (ремонтные работы) или внезапная разгерметизация одного из технологических аппаратов, за которой последовал аварийный выброс в помещение всей находившейся в аппарате пыли.

Масса отложившейся в помещении пыли к моменту аварии определяется по формуле

                            (4)

где К_r - доля горючей пыли в общей массе отложений пыли;

т₁ – масса пыли, оседающей на труднодоступных для уборки поверхностях в помещении за период времени между генеральными уборками, кг;

т₂ – масса пыли, оседающей на доступных для уборки поверхностях в помещении за период времени между текущими уборками, кг;

 К_у – коэффициент эффективности пылеуборки. Принимается при ручной пылеуборке:

сухой – 0,6;

влажной – 0,7.

При механизированной вакуумной уборке:

пол ровный – 0,9;

пол с выбоинами (до 5 % площади) – 0,7.

Под труднодоступными для уборки площадями подразумевают такие поверхности в производственных помещениях, очистка которых осуществляется только при генеральных пылеуборках. Доступными для уборки местами являются поверхности, пыль с которых удаляется в процессе текущих пылеуборок (ежесменно, ежесуточно и т. п.).

Масса пыли m_i (i = 1,2), оседающей на различных поверхностях в помещении за межуборочный период, определяется по формуле

m_i = М_i (1 -  )  _i, (i = 1,2)                              (5)

где М_i = – масса пыли, выделяющаяся в объем помещения за период времени между генеральными пылеуборками, кг;

М_1j – масса пыли, выделяемая единицей пылящего оборудования за указанный период, кг;

 М₂= – масса пыли, выделяющаяся в объем помещения за период времени между текущими пылеуборками, кг;

М_2j – масса пыли, выделяемая единицей пылящего оборудования за указанный период, кг;  – доля выделяющейся в объем помещения пыли, которая удаляется вытяжными вентиляционными системами.

При отсутствии экспериментальных сведений о величине  полагают  = 0; ₁, ₂ – доли выделяющейся в объем помещения пыли, оседающей соответственно на труднодоступных и доступных для уборки поверхностях помещения ( ₁ +  ₂ = 1).

При отсутствии сведений о величине коэффициентов  ₁ и  ₂ допускается полагать  ₁ = 1, ₂ = 0.

Величина М_i (i = 1,2) может быть также определена экспериментально (или по аналогии с действующими образцами производств) в период максимальной загрузки оборудования по формуле

(i = 1,2)                (6)

где G_1j, G_2j – интенсивность пылеотложений соответственно на труднодоступных F_1j (м²) и доступных F_2j (м²) площадях, кг м^-2с^-1;

₁, ₂ – промежуток времени соответственно между генеральными и текущими пылеуборками, с.

При пожарной нагрузке, включающей в себя различные сочетания (смесь) горючих, трудногорючих жидкостей, твердых горючих и трудногорючих веществ и материалов в пределах пожароопасного участка, пожарная нагрузка Q, МДж, определяется по формуле

                                 (7)

где G_i – количество i-го материала пожарной нагрузки, кг;

Q^p_нi – низшая теплота сгорания i-го материала пожарной нагрузки, МДж кг^-1.

Удельная пожарная нагрузка g, МДж м^-2, определяется из соотношения

                      (8)

где S – площадь размещения пожарной нагрузки, м² (но не менее 10 м²).

Значения q_кр для некоторых материалов пожарной нагрузки приведены в таблице.

Т а б л и ц а

Если пожарная нагрузка состоит из различных материалов, то значение q_кр определяется по материалу с минимальным значением q_кр.

Для материалов пожарной нагрузки с неизвестными значениями q_кр значения предельных расстояний принимаются l_пр  12 м.

Определение количества горючих пылей у наружных установок.

В качестве расчетного варианта аварии для определения критериев пожарной опасности для горючих пылей следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором в горении пылевоздушной смеси участвует наибольшее количество веществ или материалов, наиболее опасных в отношении последствий такого горения.

Количество поступивших веществ, которые могут образовывать горючие пылевоздушные смеси, определяется, исходя из предпосылки о том, что в момент расчетной аварии произошла плановая (ремонтные работы) или внезапная разгерметизация одного из технологических аппаратов, за которой последовал аварийный выброс в окружающее пространство находившейся в аппарате пыли.

Расчетная масса пыли, поступившей в окружающее пространство при расчетной аварии, определяется по формуле

М=М_вз +М_ав,                                (9)

где М – расчетная масса поступившей в окружающее пространство горючей пыли, кг,

М_вз – расчетная масса взвихрившейся пыли, кг;

М_ав – расчетная масса пыли, поступившей в результате аварийной ситуации, кг.

Величина М_вз определяется по формуле

М_вз=К_r К_вз М_n,                            (10)

где К_r – доля горючей пыли в общей массе отложений пыли;

К_вз – доля отложенной вблизи аппарата пыли, способной перейти во взвешенное состояние в результате аварийной ситуации. В отсутствие экспериментальных данных о величине К_вз допускается принимать К_вз = 0,9;

М_n – масса отложившейся вблизи аппарата пыли к моменту аварии, кг.

Величина М_ав определяется по формуле

М_ав=(М_аn +q T) К_п,                         (11)

где М_аn – масса горючей пыли, выбрасываемой в окружающее пространство при разгерметизации технологического аппарата, кг; при отсутствии ограничивающих выброс пыли инженерных устройств следует полагать, что в момент расчетной аварии происходит аварийный выброс в окружающее пространство всей находившейся в аппарате пыли;

 q – производительность, с которой продолжается поступление пылевидных веществ в аварийный аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг с^-1;

Т – расчетное время отключения, с, определяемое в каждом конкретном случае, исходя из реальной обстановки. Следует принимать равным времени срабатывания системы автоматики, если вероятность ее отказа не превышает 0,000001 в год или обеспечено резервирование ее элементов (но не более 120 с); 120 с, если вероятность отказа системы автоматики превышает 0,000001 в год и не обеспечено резервирование ее элементов; 300 с при ручном отключении;

К_п – коэффициент пыления, представляющий отношение массы взвешенной в воздухе пыли ко всей массе пыли, поступившей из аппарата. В отсутствие экспериментальных данных о величине К_п допускается принимать: 0,5 – для пылей с дисперсностью не менее 350 мкм; 1,0 – для пылей с дисперсностью менее 350 мкм.

а) Приведенную массу горючей пыли m_пр кг определяют по формуле

В лекции "5. Видовая классификация библиографии" также много полезной информации.

m_пр=M Z H_т/H_то,                              (12)

где M – масса горючей пыли, поступившей в результате аварии в окружающее пространство, кг;

Z – коэффициент участия пыли в горении, значение которого допускается принимать равным 0,1. В отдельных обоснованных случаях величина Z может быть снижена, но не менее чем до 0,02;

H_т – теплота сгорания пыли, Дж кг^-1; H_то – константа, принимаемая равной 4,6 106 Дж кг^-1;

Вывод по вопросу.

Пожарная безопасность буровых установок обеспечивается: предотвращением фонтанирования скважины, исключением источников зажигания, соблюдением противопожарных разрывов и режима.