爆炸及火灾事故后果模拟分析方法

事故后果模拟分析方法

1 简述

火灾、爆炸、中毒是常见的重大事故，经常造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失，影响社会安定。这里重点介绍有关火灾、爆炸和中毒事故( 热辐射、爆炸波、中毒) 后果分析，在分析过程中运用了数学模型。通常一个复杂的问题或现象用数学模型来描述，往往是在一个系列的假设前提下按理想的情况建立的，有些模型经过小型试验的验证，有的则可能与实际情况有较大出入，但对辨识危险性来说是可参考的。

2 泄漏

由于设备损坏或操作失误引起泄漏，大量易燃、易爆、有毒有害物质的释放，将会导致火灾、爆炸、中毒等重大事故发生。因此，事故后果分析由泄漏分析开始。

2．1 泄漏情况分析

1) 泄漏的主要设备

根据各种设备泄漏情况分析，可将工厂(特别是化工厂) 中易发生泄漏的设备归纳为以下10 类：管道、挠性连接器、过滤器、阀门、压力容器或反应器、泵、压缩机、储罐、加压或冷冻气体容器及火炬燃烧装置或放散管等。

(1) 管道。它包括管道、法兰和接头，其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20% ?100%、20%和20% ?100%。

(2) 挠性连接器。它包括软管、波纹管和铰接器，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：

①连接器本体破裂泄漏，裂口尺寸取管径的20%?100%;

②接头处的泄漏，裂口尺寸取管径的20%;

③连接装置损坏泄漏，裂口尺寸取管径的100%。

(3) 过滤器。它由过滤器本体、管道、滤网等组成，其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20%?100%和20%。

(4) 阀。其典型泄漏情况和裂口尺寸为：

①阀壳体泄漏，裂口尺寸取管径的20%?100%;

②阀盖泄漏，裂口尺寸取管径的20%;

③阀杆损坏泄漏，裂口尺寸取管径的20%

(于旺力容譌辰应器.包括化工生产中常用的分离器、吒悴洗淺畚反应釜*热左换器、各种縫和容器等］(DW器破裂而泄漏，製□尺寸取容器恋身尺寸’

②容器本体泄漏，裂口尺寸取与其注接的粗管道管径时1如％;

③孔盖世獄裂口尺寸取管径的20唸

⑥瞰嘴断裂而泄漏，裂口尺寸珈管径的口CI妬；

⑤仪表管路破裂泄漏，裂口尺寸取管径關2珈?血烙

⑥容器内豁爆炬，莹韶號裂?

(°泵.具典型泄漏惰况和裂口尺寸?^

①泵陆掏坏泄漏，裂口尺寸取弓耳连接管径的20%-100^s

②密封压盖处泄漏、裂口尺寸取管径的20%.

(Tfi縊机口包括离心式、術式和往复式压缩机，泄漏情况和裂口尺寸溯I

①压缩机机壳损坏而泄漏，裂口尺寸取与其连接管道管径的20%?Wil%,

②压缩机密封萱泄届裂口尺寸取管径的湖蚊

⑻储罐.錨天储存施韧质的容器或压力容器?也包括与其连接的管道和辅助设备，其典型泄漏情况和裂I

①雄体损坏而泄漏,裂口尺寸対本体尺寸！

②接头泄漏，裂口尺寸九与其连接管道管径閔叩％~1旳％;

③辅助设畚泄漏，酣憎确罡裂口尺寸.

⑼加压或冷冻气悴容器.包括鑰天或埋地畝直的储存器、压丸容器或运输糟车等，其典型泄漏^况和裂口」

①靂天容器内部气障爆炸使容誥完全跛裂裂口尺寸取本体尺寸；

②容器破裂而泄漏，裂口尺寸取本体尺寸I

◎焊援昭接管淅製泄漏，取管径的2吸~価仏

(10)火炬燃烧器或放散管。它们包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗

涤器和分离罐等，泄漏主要发生在简体和多通接头部位。裂口尺寸取管径的

20%?100%。

2) 造成泄漏的原因

从人-机系统来考虑造成各种泄漏事故的原因主要有4类。

(1) 设计失误。

①基础设计错误，如地基下沉，造成容器底部产生裂缝，或设备变形、错位

②选材不当，如强度不够，耐腐蚀性差、规格不符等;

③布置不合理，如压缩机和输出管没有弹性连接，因振动而使管道破裂;

④选用机械不合适，如转速过高、耐温、耐压性能差等;

⑤选用计测仪器不合适；

⑥储罐、贮槽未加液位计，反应器(炉)未加溢流管或放散管等。

(2) 设备原因。

①加工不符合要求，或未经检验擅自采用代用材料；

②加工质量差，特别是不具有操作证的焊工焊接质量差；

③施工和安装精度不高，如泵和电机不同轴、机械设备不平衡、管道连接不严密等；

④选用的标准定型产品质量不合格；

⑤对安装的设备没有按＜机械设备安装工程及验收规范)进行验收；

⑥设备长期使用后未按规定检修期进行检修，或检修质量差造成泄漏；

⑦计测仪表未定期校验，造成计量不准；

⑧阀门损坏或开关泄漏，又未及时更换；

⑨设备附件质量差，或长期使用后材料变质、腐蚀或破裂等。

(3) 管理原因。

①没有制定完善的安全操作规程；

②对安全漠不关心，已发现的问题不及时解决；

③没有严格执行监督检查制度；

④指挥错误，甚至违章指挥；

⑤让未经培训的工人上岗，知识不足，不能判断错误；

⑥检修制度不严，没有及时检修已出现故障的设备，使设备带病运转

⑷人为失误.

①误操作.违反操作规程事

②判新错误，如记错阀门位貫而开诸阀门,

③擅自鹹

④思想不集中；

⑤发现异常现象不矩如何处理.

3) 泄漏后果

泄漏一旦出现，其后果不单与物质的数量、易燃性、毒性有关，而且与泄漏物质的相态、压力、温度等状态有关。这些状态可有多种不同的结合，在后果分析中，常见的可能结合有4种：

?常压液体；

?加压液化气体；

?低温液化气体；

?加压气体。

泄漏物质的物性不同，其泄漏后果也不同。

(1) 可燃气体泄漏。可燃气体泄漏后与空气混合达到燃烧极限时，遇到引火源就会发生燃烧或爆炸。泄漏后起火的时间不同，泄漏后果也不相同。

①立即起火。可燃气体从容器中往外泄出时即被点燃，发生扩散燃烧，产生喷射性火焰或形成火球，它能迅速地危及泄漏现场，但很少会影响到厂区的外部。

②滞后起火。可燃气体泄出后与空气混合形成可燃蒸气云团，并随风飘移，遇火源发生爆炸或爆轰，能引起较大范围的破坏。

(2) 有毒气体泄漏。有毒气体泄漏后形成云团在空气中扩散，有毒气体的浓密云团将笼罩很大的空间，影响范围大。

(3) 液体泄漏。一般情况下，泄漏的液体在空气中蒸发而生成气体，泄漏后果与液体的性质和贮存条件(温度、压力)有关。

①常温常压下液体泄漏。这种液体泄漏后聚集在防液堤内或地势低洼处形成液池，液体由于池表面风的对流而缓慢蒸发，若遇引火源就会发生池火灾。

②加压液化气体泄漏。一些液体泄漏时将瞬时蒸发，剩下的液体将形成一个液池，吸收周围的热量继续蒸发。液体瞬时蒸发的比例决定于物质的性质及环境温度。有些泄漏物可能在泄漏过程中全部蒸发。

③低温液体泄漏。这种液体泄漏时将形成液池，吸收周围热量蒸发，蒸发量低于加压液化气体的泄漏量，高于常温常压下液体的泄漏量。

无论是气体泄漏还是液体泄漏，泄漏量的多少都是决定泄漏后果严重程度的主要因素，而泄漏量又与泄漏时间长短有关。

2. 2 泄漏量的计算

当发生泄漏的设备的裂口是规则的，而且裂口尺寸及泄漏物质的有关热力学、物理化学性质及参数已知时，可根据流体力学中的有关方程式计算泄漏量。当裂口不规则时，可采取等效尺寸代替；当遇到泄漏过程中压力变化等情况时，往往采用经验公式计算。

1）液体泄漏量

液体泄漏速度可用流体力学的柏努利方程计算，其泄漏速度为：

Y Q⑴

式中Qo——液体泄漏速度，kg/s;

Cd 液体泄漏系数，按表1选取；

2

A ---- 裂口面积，m；

P 泄漏液体密度，kg/m3；

p ----- 容器内介质压力，Pa；

p o 环境压力，Pa；

g ----- 重力加速度，9. 8m/s2；

h ――裂口之上液位高度，m

表1同楸福系褻⑴

对于常压下的液体泄漏速度，取决于裂口之上液位的高低；对于非常压下的液体泄漏速度，主要取决于窗口内介质压力与环境压力之差和液位高低。

当容器内液体是过热液体，即液体的沸点低于周围环境温度，液体流过裂口时由于压力减小而突然蒸发。蒸发所需热量取自于液体本身，而容器内剩下的液体温度将降至常压沸点。在这种情况下，泄漏时直接

蒸发的液体所占百分比F 可按下式计算：

L一细

~1T

式中cp -------- 液体的比定压热容，J/(kg ? K)；

T ――泄漏前液体的温度，K;

T 0――液体在常压下的沸点，K;

H ――液体的气化热，J / kg。

按式(2)计算的结果，几乎总是在0?1之间。事实上，泄漏时直接蒸发的液体将以细小烟雾的形式形成云团，与空气相混合而吸收热蒸发。如果空气传给液体烟雾的热量不足以使其蒸发，由一些液体烟雾将凝结成液滴降落到地面，形成液池。根据经验，当F>0. 2时，一般不会形成液池；当F V0. 2时，F与带走液体之比有线性关系，即当F=0时，没有液体带走(蒸发);当F=0. 1时，有50% 的液体被带走。

2) 气体泄漏量

气体从裂口泄漏的速度与其流动状态有关。因此，计算泄漏量时首先要判断泄漏时气

体流动属于音速还是亚音速流动，前者称为临界流，后者称为次临界流。

当式(3)成立时，气体流动属音速流动:

当式(4)成立时，气体流动属亚音速流动:

式中p ——容器内介质压力，Pa；

p 0 环境压力，Pa；

k 气体的绝热指数，即比定压热容C p与比定容热容c v之比

气体呈音速流动时，其泄漏量为:

气体呈亚音速流动时，其泄漏量为:

上两式中，C 气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1.00,三角形时取0.95,

长方形时取0. 90;

丫——气体膨胀因子，它由下式计算：

上十1竺& @ 曲H

M --- 分子量；

P --- 气体密度，kg/m3；

R――气体常数，J/(mol ? K);

T――气体温度，K。

当容器内物质随泄漏而减少或压力降低而影响泄漏速度时，泄漏速度的计算比较复杂。如果流速小或时间短，在后果计算中可采用最初排放速度，否则应计算其等效泄漏速度。

3) 两相流动泄漏量

在过热液体发生泄漏时，有时会出现气、液两相流动。均匀两相流动的泄漏速度可按下式计算：

(8)

式中Q o――两相流泄漏速度，kg/s；

Cd――两相流泄漏系数，可取0. 8;

A—裂口面积，m；

p ――两相混合物的压力，Pa；

Pc ----- 临界压力，Pa,可取pc=O. 55Pa；