软件说明
大多数的事故是由于危险物质从被限制的设备中意外流出,或从工程设备中不正常情况的泄放,如安全阀。对于给定孔径、温度、物理性质的物料的泄漏可以通过计算得出。不规则形状的泄漏口可以用等效口径计算。
这一部分给出了3种类型的泄漏:
当容器内气体压力与外界大气压力相等地,泄漏量显然为0。如果降低外界压力,泄漏流量似乎必然增加。但是当外界压力降至0,泄漏流量存在极大值,极值的存在实际是声速的限制,即泄漏气体的动力速度只能达到声速。从另一方面考虑,外界压力保持常压不变,随着容器内气体压力的增加,气体泄漏速度也只能增加至声速,这种情况也称气体流动是阻塞的。
当气体流速在音速范围(临界流):
当气体流速在亚音速范围(次临界流):
式中:P——容器内介质压力,Pa;
P0——环境压力,Pa;
κ——气体的绝热指数(热容比),即定压热容CP与定容热容CV之比。
假定气体的特性是理想气体,气体泄漏速度QG按下式计算:
式中:QG——气体泄漏速度,kg/s;
P——容器压力,Pa;
Cd——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;
A——裂口面积,m2;
M——分子量,kg/mol;
R——气体常数,8.314J/(mol·k);
TG——气体温度,K;
Y ——流出系数,对于临界流Y=1.0对于次临界流按下式计算:
液体泄漏速度QL用柏努利方程计算:
式中:
QL——液体泄漏速度,kg/s;
Cd——液体泄漏系数,此值常用0.6-0.64。也可按下表取值
雷诺数Re |
裂口形状 |
||
圆形(多边形) |
三角形 |
长方形 |
|
>100 ≤100 |
0.65 0.50 |
0.60 0.45 |
0.55 0.40 |
(,Re为过程单元中流动液体的雷诺数;D为
过程单元(如管道)的内径,m; 为过程单元中液体的
流速,m/s; 为泄漏液体的粘度,Pa·s)
本软件Cd按0.64取。
A——裂口面积,m2;
ρ——泄漏液体密度,kg/m3;
P——容器内介质压力,Pa;
P0——环境压力,Pa;
g ——重力加速度,9.8m/s2。
h ——裂口之上液位高度,m。
液体出口速度按下式计算
U=QL/(Cd×A×ρ)
持续时间按下式计算
t=[U0/(Cd×g)](AT/A)
U0——初始流速,m/s;
AT——罐内液面积,m2。
如果是过热液体,液体泄漏后会发生闪蒸,闪蒸分数用下式计算:
式中:
FV——蒸发的液体占液体总量的比例
Cp——两相混合物的定压比热,J/(kg·K);
TLG——两相混合物的温度,K;
TC——液体在临界压力下的沸点,K;
H——液体的气化热,J/kg。
当FV>1时,表明液体将全部蒸发成气体,这时应按气体泄漏计算;如果FV很小,则可近似地按液体泄漏公式计算。但实际情况,当FV>0.2时,可以认为不会形成液池。
假定液相和气相是均匀的,且互相平衡,两相流泄漏计算按下式:
式中:
QLG——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,m2;
P ——操作压力或容器压力,Pa;
PC ——临界压力,Pa,可取PC=0.55P;
ρm——两相混合物的平均密度,kg/m3,由下式计算:
式中:P1——液体蒸发的蒸气密度,kg/m3;
P2——液体密度,kg/m3;
FV——蒸发的液体占液体总量的比例,由下式计算;
式中:
Cp——两相混合物的定压比热,J/(kg·K);
TLG——两相混合物的温度,K;
TC——液体在临界压力下的沸点,K;
H——液体的气化热,J/kg。
当FV>1时,表明液体将全部蒸发成气体,这时应按气体泄漏计算;如果FV很小,则可近似地按液体泄漏公式计算。但实际情况,当FV>0.2时,可以认为不会形成液池。
过热液体闪蒸量可按下式估算
Q1=F·WT/t1
式中:Q1——闪蒸量,kg/s;
WT——液体泄漏总量,kg;
t1——闪蒸蒸发时间,s;
F——蒸发的液体占液体总量的比例;按下式计算
式中:
Cp——液体的定压比热,J/(kg·K);
TL——泄漏前液体的温度,K;
Tb——液体在常压下的沸点,K;
H ——液体的气化热,J/kg。
由上式计算的FV一般都在0~1之间,这种情况下一部分液体将作为极小的分散液滴保留在蒸汽云中。随着与具有环境温度的空气混合,部分液滴将蒸发。如果来自空气的热量不足以蒸发所有液滴,部分液体将降落地面形成液池。
对于液体是否被带走目前尚没有可接受的模型。有关实验表明,如果FV值大于0.2,则液池不太可能形成。当FV小于0.2时,可以假定带走流体与FV成线性关系。FV=0,没有流体被带走;FV=0.1,有50%液体被带走等。
因此,考虑到液滴被带走的量,闪蒸带走的液体量按下试计算:
- 当Fvap≤0.2时
D=5×Fvap×QL
地面液池内液体量:
Ds=(1-5×Fvap)×QL
- 当Fvap≥0.2时
液体被全部带走,地面无液池形成。
A、液体扩散
液体泄漏后立即扩散到地面,一直流到低洼处或人工边界,如防护堤、岸墙等,形成液池。液体泄漏出来不断蒸发,当液体蒸发速度等于泄漏速度时,液池中的液体将维持不变。
如果泄漏的液体是低挥发性的,则从液池中蒸发量较少,不易形成气团,对场外人员危险性较小;如果着火则形成池火灾;如果泄漏的是挥发性液体,泄漏后液体蒸发量大,在液池上面会形成蒸气云,容易扩散到场外,遇到火源则容易发生闪火、蒸气云爆等,对场外人员的危险性较大。
液池蒸发是另一个重要的蒸气释放源。为了计算液池的蒸发速率,必须确定液池大小和单位面积液池的蒸发速率。
如果泄漏的液体已达到人工边界,则液池面积即为人工边界的面积。如果泄漏的液体未达到人工边界,则可假设液体的泄漏点为中心呈扁圆柱形在光滑平面上扩散,液池半径r可用下式计算:
①瞬时泄漏(泄漏时间不超过30秒)时:
②连续泄漏时:
式中,r——为液池半径,m;
m——为泄漏的液体量,kg;
ρl——液体密度,kg/m3;
t——为泄漏时间,s;
g——为重力加速度,9.8m/s2。
W——为泄漏的液体量,kg;
给定时刻下的半径可以通过计算当时的蒸发量。
当液体闪蒸不完全,有一部分液体在地面形成液池(或者,冷冻液体泄漏至地面),并吸收地面热量而气化称为热量蒸发。热量蒸发的蒸发速度Q2按下式计算:
式中:
Q2——热量蒸发速度,kg/s;
T0——环境温度,k;
Tb——沸点温度;k;
S ——液池面积,m2;
H——液体气化热,J/kg;
λ——表面热导系数(见表2-1),W/m·k;
α——表面热扩散系数(见表2-1),m2/s;
t——蒸发时间,s。
表2-1某些地面的热传递性质
地面情况 |
λ(w/m·k) |
α(m2/s) |
水泥 土地(含水8%) 干阔土地 湿地 砂砾地 |
1.1 0.9 0.3 0.6 2.5 |
1.29×10-7 4.3×10-7 2.3×10-7 3.3×10-7 11.0×10-7 |
一但扩散停止,地面的热量蒸发减少,因为地面被冷却。最终,地面的热量蒸发相对于由风引起的质量蒸发而言可以忽略。风引起的质量蒸发一直持续到液体全部蒸发完毕。质量蒸发速度Q3按下式计算:
式中:
Q3——质量蒸发速度,kg/s;
a,n——大气稳定度系数,见表2-2;
p——液体表面蒸气压,Pa;
M——摩尔质量,kg/mol;
R——气体常数;J/mol·k;
T0——环境温度,k;
u——风速,m/s;
r——液池半径,m。
表2-2液池蒸发模式参数
稳定度条件 |
n |
α |
不稳定(A,B) |
0.2 |
3.846×10-3 |
中性(D) |
0.25 |
4.685×10-3 |
稳定(E,F) |
0.3 |
5.285×10-3 |
液池更大直径取决于泄漏点附近的地域构型、泄漏的连续性或瞬时性。有围堰时,以围堰更大等效半径为液池半径;无围堰时,设定液体瞬间扩散到最小厚度时,推算液池等效半径。
Wp=Q1t1+Q2t2+Q3t3
式中: Wp——液体蒸发总量,kg;
Q1——闪蒸蒸发液体量,kg/s;
Q2——热量蒸发速率,kg/s;
Q3——质量蒸发速率,kg/s;
t1——闪蒸蒸发时间,s;
t2——热量蒸发时间,s;
t3—从液体泄漏到液体全部处理完毕的时间,s。
2 有毒有害物质在大气中的扩散模型(中性气体模型,上一版导则推荐模型)
对于泄漏危险源为瞬时排放时,可采用高斯烟团模型。空间某一点在t时刻的浓度由下式得出:
C(x,y,z,t)──t时刻空间任意点的污染物浓度,mg/m3;
Q──瞬时排放量,mg;
x0,y0,z0──t时刻烟团中心坐标。
──分别为x,y,z方向的扩散参数;
t──扩散时间,s。
对于单一气象条件下,以泄漏源为坐标轴中心,下风向为x轴正方向的浓度由下式得出:
x──下风向到泄漏源点的距离,m;
y,z──侧风向、垂直向上方向的离泄漏点的距离,m;
u──排放源高度处的平均风速,m/s;
He──有效排放源高度,He=H+ΔH,m。H和ΔH分别是排放源的几何高度和抬升高度。
地面浓度可由下式得出:
对于瞬时或短时间事故,可采用下述变天条件下多烟团模式:
式中:Cwi(x,y,z,tw)──第i个烟团在tw时刻在(x,y,z)处的浓度,mg/m3;
Qi──烟团排放量(mg),为释放率(mg.s-1),为时段长度(s);
、、–烟团在w时段沿x、y和z方向的等效扩散参数(m),可由下式估算:
式中:
和–第w时段结束时第i烟团质心的x和y坐标,由下述两式计算:
各个烟团对某个关心点t小时的浓度贡献,按下式计算:
式中n为需要跟踪的烟团数,可由下式确定:
式中,f为小于1的系数,可根据计算要求确定。
对于短时间泄漏,可采用虚拟点源多烟团模式,计算公式如下:
式中:Ci(x,y,0,t-ti)──第i个烟团t时刻在(x,y,0)处的浓度,mg/m3;
Qi──第i个烟团的排放量,mg;
u──排放高度处的风速,m/s;
ti──第i个烟团的释放时刻;
He──有效源高,m;
σx,σy,σz──分别为x、y、z方向的扩散参数,m;
n──烟团个数。
AFTOX是由美国空军开发的高斯扩散模型,可适用于非浮力中性气体、浮力烟羽扩散。AFTO可处理瞬间的或持续的、地面或具有一定高度的源释放的气体或液体。该模型是现行风险导则推荐扩散模型。
SLAB是一个模拟密度大于空气的大气扩散模型。SLAB模型可以处理四种类型的排放源:地面蒸发池、水平喷射源、垂向喷射源和瞬时排放源。这四种类型的排放源中,除了蒸发池排放为全气态污染物,其他的为气体或者气体与液滴的混合物。
排放物的大气扩散计算时通过求解质量、动量、能量和物质的守恒方程,这也是重气体模型区别于普通的扩散模型比如AERMOD的一个重要标志。守恒方程是空间的平均值,在处理烟雾时认为是静态烟羽或者可变烟团或者是这两种的组合,取决于喷射过程。连续的排放(非常长的持续时间)被认为是静态的烟羽。在排放源持续时间有限的情况中,烟雾分散最初是使用静态羽状模型来描述的,且一直持续到排放结束,当排放源被中断,烟雾被认为是一个烟团且后续的扩散使用可变烟团模型来计算。对于瞬时排放,在整个计算中使用瞬时喷射模型。
守恒方程的数学描述包含了重气扩散的物理性质(如重力扩散、减小的混乱度等),也包含了通常的大气对流和湍流扩散过程。液滴形成和蒸发的热力学,通过假定的局部热力学平衡来处理,蒸汽-液滴混合物的扩散被认为是单独的液体,忽略重力的降低和液滴的地面沉积。当烟雾的温度低于地表温度时, 也包含地面热量的热力学影响。
SLAB模型预测的平均时间的浓度,步进依赖于与扩散方程相关的各种物理现象,还依赖于具体的平均时间内的浓度。这取决于烟雾的走向。当平均时间内浓度增加时,会发生更多的烟雾路径,形成更宽的烟雾团。
风险值是风险评价表征量,包括事故的发生概率和事故的危害程度。定义为:
单位为“死亡/年”
大气环境风险评价,首先计算浓度分布,然后按GBZ2《工作场所有害因素职业接触限值》规定的短时间接触容许浓度给出该浓度分布范围及在该范围内的人口分布。
后果综述用图或表综合列出有毒有害物质泄漏后所造成的多种危害后果。
任一毒物泄漏,从吸入途径造成的效应包括:感官刺激或轻度伤害、确定性效应(急性致死)、随机性效应(致癌或非致癌等效致死率)。这里只考虑急性危害。
概率函数法是通过人们在一定时间接触一定浓度毒物所造成影响的概率来描述毒物泄漏后果的一种表示法。概率与中毒死亡百分率有直接关系,二者可以互相换算,见表4-1。概率值在0~10之间。
表 5–1 死亡百分率和概率在毒性计算中的变换
死亡百分率% |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
|
2.67 |
2.95 |
3.12 |
3.25 |
3.36 |
3.45 |
3.52 |
3.59 |
3.66 |
10 |
3.72 |
3.77 |
3.82 |
3.87 |
3.92 |
3.96 |
4.01 |
4.05 |
4.08 |
4.12 |
20 |
4.16 |
4.19 |
4.23 |
4.26 |
4.29 |
4.33 |
4.36 |
4.39 |
4.42 |
4.45 |
30 |
4.48 |
4.50 |
4.53 |
4.56 |
4.59 |
4.61 |
4.64 |
4.67 |
4.69 |
4.72 |
40 |
4.75 |
4.77 |
4.80 |
4.82 |
4.85 |
4.87 |
4.90 |
4.92 |
4.95 |
4.97 |
50 |
5.00 |
5.03 |
5.05 |
5.08 |
5.10 |
5.13 |
5.15 |
5.18 |
5.20 |
5.23 |
60 |
5.25 |
5.28 |
5.31 |
5.33 |
5.36 |
5.39 |
5.41 |
5.44 |
5.47 |
5.50 |
70 |
5.52 |
5.55 |
5.58 |
5.61 |
5.64 |
5.67 |
5.71 |
5.74 |
5.77 |
5.81 |
80 |
5.84 |
5.88 |
5.92 |
5.95 |
5.99 |
6.04 |
6.08 |
6.13 |
6.18 |
6.23 |
90 |
6.28 |
6.34 |
6.41 |
6.48 |
6.55 |
6.64 |
6.75 |
6.88 |
7.05 |
7.33 |
99 |
0.0 |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
0.5 |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
0.9 |
7.33 |
7.37 |
7.41 |
7.46 |
7.51 |
7.58 |
7.58 |
7.65 |
7.88 |
80.9 |
概率Y与接触毒物浓度及接触时间的关系为:
式中,At、Bt和n与毒物性质有关,见表4-2;
C──接触的浓度 (kg/m-3);
te──接触时间 (s);
Cn.te──毒性负荷。在一个已知点其毒性浓度随着雾团的通过和稀释而变化。
该位置的总毒性负荷Q为释放过程中不同时间间隔毒性负荷之和:
式中:Cin·tei──i时间间隔的毒性负荷;
m──时间间隔数。
通常,接触毒物的时间不会超过30min。因为在这段时间里,人员可以逃离现场或采取保护措施。
表 5–2 一些物质的毒性
物质 |
At |
Bt |
n |
氯气 |
-5.3 |
0.5 |
2.75 |
氨 |
-9.82 |
0.71 |
2.0 |
丙烯醛 |
-9.93 |
2.05 |
1.0 |
四氯化碳 |
0.54 |
1.05 |
0.5 |
氯化氢 |
-21.76 |
2.65 |
1.0 |
甲基溴 |
-19.92 |
5.16 |
1.0 |
光气 |
-19.27 |
3.69 |
1.0 |
氟化氢(单体) |
-26.4 |
3.35 |
1.0 |
丙烯腈 |
-8.6 |
1 |
1.3 |
丙烯醇 |
-11.7 |
1 |
2 |
氰化氢 |
-9.8 |
1 |
2.4 |
硫化氢 |
-11.5 |
1 |
1.9 |
磷化氢 |
-6.8 |
1 |
2 |
对硫磷 |
-6.6 |
1 |
2 |
鉴于目前许多物质的At、Bt、n参数有限,因此在危害计算中仅选择对有成熟参数的物质按上述计算式进行详细计算。
在实际应用中,可用简化分析法,用LC(50)浓度来求毒性影响。
若事故发生后下风向某处,化学污染物i的浓度更大值Dimax大于或等于化学污染物i的半致死浓度LCi50,则事故导致评价区内因发生污染物致死确定性效应而致死的人数Ci由下式给出:
式中N(Xiln,Yjln)表示浓度超过污染物半致死浓度区域中的人数。
更大可信事故所有有毒有害物泄漏所致环境危害C,为各种危害Ci总和:
更大可信灾害事故对环境所造成的风险R按下式计算:
式中:
R–风险值;
P–更大可信事故概率 (事件数/单位时间);
C–更大可信事故造成的危害 (损害/事件);
风险评价需要从各功能单元的更大可信事故风险Rj中,选出危害更大的作为本项目的更大可信灾害事故,并以此作为风险可接受水平的分析基础。即:
风险可接受分析采用更大可信灾害事故风险值Rmax与同行业可接受风险水平RL比较:
则认为本项目的建设,风险水平是可以接受的。
则对该项目需要采取降低安全的措施,以达到可接受水平,否则项目的建设是不可接受的。
(1)燃烧速率
下面是广泛采用的液体单位面积燃烧速率的计算公式。
当液体沸点高于环境温度时:
当液体的沸点低于环境温度时,如加压液化气或冷冻液化气,其单位面积的燃烧速度mf为:
式中 mf——液体单位表面积燃烧速度,kg/(m2·s);
Hc——液体燃烧热;J/kg;
Cp——液体的比定压热容;J/(kg·K);
Tb——液体的沸点,K;
Ta——环境温度,K;
HV——液体在常压沸点下的蒸发热(气化热),J/kg。
(2)燃烧时间
池火持续时间按下式计算:
式中:t——池火持续时间,s;
W——液池液体的总质量,kg;
S——液池的面积,m2;
mf——液体单位面积燃烧速率,kg/m2•s;
(3)确定火焰高度
Thomas给出的计算池火焰高度的经验公式在文献中被广泛使用。
为简化计算,仅考虑无风时的情况:
(2-37)
式中:L——火焰高度,m;
D——液池直径,m;
mf——液体单位面积燃烧速率,kg/m2•s;
ρa——空气密度,kg/m3;
g——重力加速度,9.8m/s;
(4)火焰表面热通量的计算
假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向周围均匀辐射,则可以用下式计算火焰表面的热通量:
(2-38)
式中:E——池火表面的热通量, W/m2;
HC——液体燃烧热,J/kg;
π——圆周率,3.14;
f——热辐射系数,范围为0.13~0.35,保守值为0.35;
mf——燃烧速率,kg/m2•s;
其它符号同前。
(5)目标接收到的热通量的计算
目标接收到的热通量q的计算公式为:
(2-39)
式中:q——目标接收到的热通量,w/m2;
E——池火表面的热通量,w/m2;
x——目标到池火中心的水平距离,m;
V——视角系数,按Rai&Kalelkar(1974)提供的方法计算。
(6)视角系数的计算
视角系数V可由下式确定:
a=(h2+s2+1)/2s
b=(1+s2)/2s
s=2R/D
h=L/D
计算主要包括如下步骤。
1.火球半径
(24)
式中,D为火球直径(m),W为火球中消耗的可燃物质量(Kg)。对单罐储存,W取罐容量的50%;对双罐储存,W取罐容量的70%;对多罐储存,W取罐容量的90%。
2.火球持续时间
(25)
式中,t为火球持续时间(s),W同式(24)。
③火球抬升高度
火球在燃烧时,将抬升到一定高度。火球中心距离地面的高度H由下式估计:
(26)
④火球表面热辐射能量
假设火球表面热辐射能量是均匀扩散的。火球表面热辐射能量SEP由下式计算:
(27)
式中,Fs为火球表面辐射的能量比,Ha为火球的有效燃烧热(J/Kg)。
Fs与储罐破裂瞬间储存物料的饱和蒸气压力P(MPa)有关:
(28)
对于因外部火灾引起的BLEVE事故,上式中的P值可取储罐安全阀启动压力Pv(MPa)的1.21倍,即:
(29)
Ha由下式求得:
(30)
式中,Hc为燃烧热(J/kg),Hv为常沸点下的蒸发热(J/kg),Cp为恒压比热(J/(kg.K)),T为火球表面火焰温度与环境温度之差(K),一般来说T=1700K。
⑤视角系数
视角系数F的计算公式如下:
(31)
式中,r为目标到火球中心的距离(m)。
令目标与储罐的水平距离为X(m),则:
(32)
⑥大气热传递系数
火球表面辐射的热能在大气中传输时,由于空气的吸收及散射作用,一部分能量损失掉了。假定能量损失比为α,则大气热传递系数。α和大气中的CO2和H2O的含量、热传输距离及辐射光谱的特性等因素有关。
可由以下的经验公式来求取:
(33)
式中,pw为环境温度下空气中的水蒸气压(N/m2),r¢为目标到火球表面的距离(m)。
(34)
式中,为环境温度下的饱和水蒸气压(N/m2),RH为相对湿度。
(35)
⑦火球热辐射强度分布函数
在不考虑障碍物对火球热辐射产生阻挡作用的条件下,距离储罐X处的热辐射强度q(W/m2)可由下式计算:
(36)
加压的可燃物泄漏时形成射流,如果在泄漏裂口处被点燃,则形成喷射火。假定火焰为圆锥形,并用从泄漏处到火焰长度4/5处的点源模型来表示。
1.火焰长度计算
喷射火的火焰长度可用如下方程得到:
(21)
式中 L为火焰长度(m)
HC为燃烧热(J/kg)
m为质量流速(kg/s)。
2.热辐射的通量计算
热辐射通量认为是从中心轴线上一系列相等的辐射源发出,每一点的热通量为:
式中:E——点热源热辐射通量,W;
f——燃烧效率因子,取0.35;
n——假设的点源数;本软件取21个点。
m——泄漏流量,kg/s;
Hc——燃烧热,J/kg;
距离点源xi处某点接收的热辐射通量为
式中:qi——点热源至目标点处的热辐射强度,W/m2;
Xp——发射因子,取0.2。
xi——点热源到目标点的距离,m。
总热辐射通量是各点辐射的和:
n——辐射点的数目,可以任意选取,一般取5。
固体火灾的热辐射参数按点源模型估计。此模型认为火焰射出的能量为燃烧的一部分,并且辐射强度与目标至火源中心距离的平方成反比。
(91)
式中,q(r)为目标接收到的辐射强度(W/m2)
f为辐射系数,可取f=0.25
HC为燃烧热(J/kg)
MC为燃烧速率(kg/s)
r为目标至火源中心的水平距离(m)。
热辐射伤害的概率方程通常使用彼德森(Pietersen)1990年提出的概率方程。
皮肤裸露时的死亡几率为:
(100)
二度烧伤几率: (101)
一度烧伤几率: (102)
式中,q为人体接收到的热通量(W/m2),t为人体暴露于热辐射的时间(s),Pr为人员伤害几率。
同裸露人体的情况相比,由于服装的防护作用,人体实际接收的热辐射强度有所减少,人体实际接收的热辐射强度qc(W/m2)为:
(103)
式中,β为有服装保护时人体的热接收率,这里取β=0.4。
缺燃财产损失。
泄漏物扩散到广阔的区域,形成弥漫相当大空间的云状可燃性气体混合物,经过一段延滞时间后,可燃蒸气云被点燃,由于存在某些特殊原因和条件,火焰加速传播,产生危险的爆炸冲击波超压,发生蒸气云爆炸。
蒸气云爆炸通常采用传统的TNT当量系数法计算,将事故性爆炸产生的爆炸能量同一定当量的TNT联系起来。在TNT当量系数法中,当量的TNT质量与云团中的燃料的总质量有关。
TNT当量计算公式如下:
式中 WTNT——蒸汽云的TNT当量,kg;
Wf——蒸汽云中燃料的总质量,kg;
α——蒸汽云爆炸的效率因子,表明参与爆炸的可燃气体的分数,一般取3%或4%;
Qf——蒸汽的燃料热,J/kg;
QTNT——TNT的爆炸热,一般取4.52×106J/kg;
对于地面爆炸,由于地面反射使用使爆炸威力几乎加倍,一般应乘以地面爆炸系数1.8。
爆炸中心与给定超压间的距离可以按下式计算。
通过上式可推算出:
式中 R——距离,m;
Δp——目标处的超压值,Pa;
爆炸涉及的总能量中只有一小部分真正对爆炸有贡献,这一分数称为效率因子。效率因子是爆炸后果分析中较重要也是最难准确知道的参数,其范围为2%~20%。对于多数脂肪烃,通常推荐值是3%;对于某些烯烃,观察到大约是6%。含氧燃料趋向于高的效率因子,可以达到16%~18%。下表列出了一些化学物质的效率因子。
一些化学物质的效率因子
效率因子3%的物质 |
||||||
乙醛 丙酮 丙烯腈 乙酸戊酯 戊醇 苯 丁二烯 丁烷 丁烯 乙酸丁酯 一氧化碳 氰 甲其异丙基苯 癸烷 二氯苯 二氯乙烷 二甲醚 |
乙烷 乙醇 乙醇乙酯 乙胺 乙苯 氯乙烷 甲酸乙酯 丙酸乙酯 糠醇 庚烷 已烷 氢氰酸 氢 硫化氢 异丁醇 异丁烯 异丙醇 |
甲烷 甲醇 乙酸甲酯 甲胺 甲基丁基酮 氯甲烷 甲基乙基酮 甲酸甲酯 甲硫醇 甲基丙基酮 萘 异辛烷 戊烷 石油醚 邻苯二甲酸酐 丙烷 丙醇 |
乙酸 丙烯 二氯丙烷 苯乙烯 四氟乙烯 甲苯 乙酸乙烯酯 氯乙烯 偏氯乙烯 水煤气 二甲苯 |
|||
效率因子6%的物质 |
||||||
丙烯醛 二硫化碳 环己烷 |
乙醚 乙烯醚 |
乙烯 亚硝酸乙酯 |
甲基乙烯酯 环氧丙烷 |
|||
效率因子19%的物质 |
||||||
乙炔 亚乙基氧 |
硝酸乙酯 联氯 |
硝酸异丙酯 丙炔 |
硝基甲烷 乙烯基乙炔 |
|||
下面是常用的一个根据超压-冲量准则和概率模型得到的死亡半径公式。
死亡率取50%,可以认为此半径内的人员全部死亡,半径以外无一人死亡,这样可以使问题简化。
财产损失半径可按下式计算。
通常,死亡半径按超压90kPa计算,重伤半径按44kPa计算,轻伤半径按17kPa计算。财产损失半径按13.8kPa计算。
凝聚相含能材料爆炸能产生多种破坏效应,如热辐射、一次破片作用、有毒气体产物的致命效应,但破坏力更强,破坏区域更大的是冲击波的破坏效应,因此,爆炸模型主要考虑冲击波的伤害作用。
凝聚相含能材料的爆炸冲击波超压Δp可按下式计算:
(87)
(88)
(89)
(90)
式中,Z为无量纲距离;
Δp为目标处的超压值(Pa);
p0为环境压力,一般取101325Pa;
R为目标到爆源的水平距离(m);
E为爆源总能量(J);
W为含能材料的质量(Kg);
QC为爆炸物的爆热(J/Kg)。
G.M莱克霍夫经过沙质粘地中实验得出的冲击波超压与距离之间的关系式:
P 爆炸冲击波超压,单位kgf/cm2;要将计算结果转换为标准压力单位Pa,需乘以98.0665×103;
R 爆炸中心到所关心点的距离,m;
QTNT TNT当量值,kg;
QTNT计算公式如下:
蒸气云当量系数,通常取0.04,约点60%;
V 储罐的公称容积,m3;
物质的比重,kg/m3;
HC 燃烧热, J/kg;注意与qTNT的单位保持一致。
qTNT TNT的爆炸热,一般取4.52×106J/kg;
7.4 物理爆炸
物理爆炸就是物质状态参数(温度、压力、体积)迅速发生变化,在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。物理爆炸的特点是在爆炸现象发生过程中,导致爆炸发生的介质的化学性质不发生变化,发生变化的仅是介质的状态参数。
物理爆炸如压力容器破裂时,气体膨胀所释放的能量(即爆破能量)不仅与气体压力和容器的体积有关,而且与介质在容器内的物性相态有关。
1.压缩气体与蒸汽容器的爆炸能量
(1)压缩气体容器的爆炸能量
当压力容器中介质为压缩气体,即以气态形式存在而发生物理爆炸时,其释放的爆破能量为:
(92)
式中,为气体的爆破能量(kJ)
为容器内气体的绝对压力(MPa)
V为容器的容积(m3)
为气体的绝热指数,即气体的定压比热与定容比热之比。(是气体的等熵指数,还是绝热指数,是一回事)
(2)饱和蒸汽容器的爆炸能量
对于常用压力下的饱和蒸汽容器的爆炸能量可按下式计算:
式中:Es——蒸汽的爆炸能量(kJ);
Cs——饱和蒸汽容器爆炸能量系数(kJ/m3);
V——蒸汽的体积(m3)。
各种常用压力下的饱和蒸汽爆炸能量系数见表2-1。
表2-1 常用压力下饱和蒸汽的爆炸能量系数(k=1.135)
额定压力p(MPa) |
0.4 |
0.5 |
0.6 |
0.8 |
0.9 |
1.1 |
1.4 |
1.7 |
2.6 |
3.1 |
爆炸能量系数Cs(MJ/m3) |
0.437 |
0.628 |
0.831 |
1.27 |
1.50 |
1.98 |
2.75 |
3.56 |
6.24 |
7.77 |
2.介质全部为液体时的爆炸能量
当介质全部为液体时,鉴于通常用液体加压时所做的功作为常温液体压力容器爆炸时释放的能量,爆破能量计算模型如下:
(93)
式中,为常温液体压力容器爆炸时释放的能量(kJ);
为液体的绝对压力(Pa);
V为容器的体积(m3);
为液体在压力和温度T下的压缩系数(Pa-1)。
3.液化气体和高温饱和水容器的爆炸能量
而液化气体一般在容器内以气液两态存在。当容器破裂发生爆炸时,除了气体的急剧膨胀做功外,还有过热液体激烈的蒸发过程。在大多数情况下,这类容器内的饱和液体占有容器介质重量的绝大部分,它的爆破能量比饱和气体大得多,一般计算时不考虑气体膨胀做的功。
(1)液化气体容器的爆炸能量
过热状态下液体在容器破裂时释放出爆破能量可按下式计算:
(94)
式中,E为过热状态液体的爆破能量(kJ);
H1为爆炸前液化液体的焓(kJ/kg);
H2为在大气压力下饱和液体的焓(kJ/kg);
S1为爆炸前饱和液体的熵(kJ/(kg·K));
S2为在大气压力下饱和液体的熵(kJ/(kg·K));
T1为介质在大气压力下的沸点(K);
W为饱和液体的质量(kg)。
压力容器爆破时,爆破能量向外释放以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量三种形式表现出来。根据介绍,后二者所消耗的能量只占总爆破能量的3%~15%,也就是说大部分能量产生空气冲击波。
超压的损害效率见下表。
爆炸超压的损害效应
超压 |
预期损害 |
|
Psi |
kPa |
|
0.1 |
0.69 |
小窗户损坏 |
0.15 |
1.035 |
玻璃损坏的典型压力 |
0.30 |
2.7 |
10%玻璃破裂 |
0.5 |
3.45 |
窗户损坏,房屋结构较小的破坏 |
0.7 |
4.83 |
对人可逆影响的上限 |
1.0 |
6.90 |
房屋部分损坏;金属板扭曲;玻璃碎片划伤 |
2.0 |
13.8 |
墙和屋顶部分坍塌 |
2.4 |
16.56 |
暴露人员的耳膜破裂 |
2.5 |
17.25 |
人员致死的临界量 |
3.0 |
20.7 |
钢结构建筑扭曲和基础位移 |
5.0 |
34.5 |
木结构断裂 |
10 |
69.0 |
几乎所有建筑坍塌,肺出血 |
20 |
138 |
直接冲击波造成100%死亡 |