Аварии на химико-технологических объектах: характеристика разрушительного воздействия, типовая модель развития аварии, поражающие факторы.

Анализ аварийности на производстве показывает, что подавляющее большинство крупномасштабных техногенных ЧС происходят на химико-технологических объектах(ХТО). Аварии на ХТО могут отличаться не только масштабами разрушительного воздействия, но и сценариями их развития. Это зависит от:

1. Физико-химических, токсичных и пожароопасных свойств веществ, применяемых в технологических процессах на этих объектах

2. Количества обращающихся в технологическом процессе веществ(объем производства)

3. Режима обработки энергоемких сред: p, t, скорость материальных потоков.

Типовая модель развития аварии на ХТО:

Таким образом, специфическими факторами разрушающего действия при авариях на ХТО являются: ударная волна(резкое сжатие воздуха, распространяющееся со сверхзвуковой скоростью во все стороны от эпицентра взрыва), тепловое излучение из зоны пожара или взрыва, химическое заражение окружающей среды АХОВ(аварийно химическими опасными объектами). В зависимости от характера и интенсивности действия поражающих факторов аварийные ситуации разделяют на: Уровень А- аварийная ситуация не выходит за пределы технологической установки Уровень Б-авар. ситуация не выходит за пределы предприятия Уровень В- авар. ситуация выходит за территорию предприятия, возникает риск поражения близлежащих территорий и населенных пунктов.

31)Химически опасные объекты, основные понятия: АХОВ, токсическая доза. Характеристика химических аварий, факторы, влияющие на параметры аварии. Классы химических аварий, ликвидация последствий.

Химически-опасный объект(ХОО)- объект, на котором хранят, перерабатывают, используют или транспортируют аварийно химически опасные вещества(АХОВ) и при аварии на котором может произойти гибель или химическое заражение людей, животных и местности.

АХОВ- это химическое вещество, при аварийном выбросе которого может произойти заражение окружающей среды в поражающих живой организм концентрациях.

Поражение человека при химической аварии оценивают пороговой и смертельной токсодозой. Пороговая токсодоза D_пор- это токсодоза, вызывающая начальные специфические для каждого вещества поражения(чихание, кашель, слезоточивость глаз, временная потеря зрения). Смертельная токсодоза D_см- вызывает поражения людей со смертельным исходом(мг*мин/л).

В случае отсутствия справочных данных пороговая токсодоза может быть рассчитана по порогу острого действия или по ПДК вещества в воздухе рабочей зоны:

-пороговая токсодоза- концентрация химического вещества в воздухе, вызывающая острое отравление человека, мг/м³

- время экспозиции, в этом расчете принимается равным 30мин( достаточное время, чтобы принять меры- эвакуация, применение СИЗОД), при расчете через ПДК- 240мин(предельное пребывание людей в зараженной зоне- 4часа)

- предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны, мг/м³

- равен 5 для раздражающих веществ(в том числе остронаправленного действия), для остальных токсичных газов и паров-9.

Прогнозирование аварий на ХОО предполагает оценку следующих параметров:

· Количество АХОВ, которое может поступить в атмосферу

· Вероятной глубины зоны заражения местности

· Вероятной площади зоны заражения

· Времени подхода облака химического вещества к расчетной точке прогнозируемой зоны поражения

· Продолжительности поражающего действия АХОВ в зоне поражения

Эталонное вещество при оценке опасности хим аварий- газообразный хлор.

При прогнозировании масштабов заражения воздуха при химической аварии принимается условие- разрушается емкость(оборудование) наибольшего объема, которая содержит наиболее опасное вещество(с минимальной пороговой токсодозой). Динамика поступления АХОВ в воздух зависит от агрегатного состояния вещества, его физико-химических свойств( летучесть, плотность паров по отношению к воздуху). Агрегатное состояние вещества при нормальной температуре зависит от его критической температуры- t_кр. Критическая температура- это константа вещества, при которой пропадает различие в физических свойствах между жидкостью и паром, находящихся в равновесии. При достижении t_кр вещество можно перевести в жидкое состояние, а выше критической- нельзя.

Существуют следующие основные способы хранения АХОВ:

1. В газообразном состоянии (t_кр< t_кип)- азот

2. В сжиженном состоянии под давлением (t_кр>t_кип)- сероводород, хлор, аммиак.

3. В сжиженном состоянии при давлении близком к атмосферному(t_кип>t_раб)- трихлорид фосфора, сероуглерод.

При хранении в сжатом состоянии вещество быстро поступает в атмосферу, образуя первичное облако заражения , в воздухе создаются концентрации, превышающие на несколько порядков смертельные.

Особенностью формирования облака заражения при хранении вещества в сжиженном состоянии под давлением является его двухстадийность. В момент аварии возникает первичное облако, но за счет последующего испарения жидкой фазы возникает вторичное облако заражения. Для веществ, находящихся в жидком состоянии- вторичное облако заражения.

Глубина зоны заражения-расстояние, на которое может распространиться облако химического вещества, зависит не только от количества в-ва, выброшенного в атмосферу, но и от скорости переноса зараженного воздуха. По глубине заражения определяют уровень аварии(А, Б или В). Границы зоны заражения определяют наличием в воздухе пороговых токсодоз химического вещества.

Скорость переноса зараженного облака зависит от метеорологических условий- от горизонтальной и вертикальной устойчивости атмосферы в приземном слое. Горизонтальная устойчивость атмосферы зависит от скорости ветра, а вертикальная- от разности температур воздуха у поверхности земли и на разной высоте. Различают 3 вида вертикальной устойчивости:

1. Инверсия- это состояние приземного слоя атмосферы, при котором наблюдается увеличение температуры воздуха по мере удаления от поверхности земли. Плотность нижних слоев воздуха больше верхнего- это препятствует развитию вертикальных движений воздуха, вследствие чего рассеивание зараженного воздуха тормозится.

2. Конвекция- это вертикальное перемещение воздуха с одной высоты на другую. Теплый воздух, нагретый у поверхности земли, имеет меньшую плотность по сравнению с верхним слоем атмосферы- происходит рассеивание зараженного воздуха по вертикали, это препятствует распространению АХОВ по горизонтали.

3. Изотермия характеризуется относительно стабильным равновесием слоев воздуха по высоте. Занимает промежуточное положение между конвекцией и инверсией.

При прогнозировании возможных масштабов химической аварии ориентируются на самые неблагоприятные метеорологические условия: скорость ветра- 1м/с, направление ветра устанавливается по розе ветров, состояние атмосферы- инверсия.

Вероятная площадь заражения зависит от глубины зоны заражения и ее формы в плане(угловые размеры зоны заражения). Вероятная площадь заражения определяет масштабные мероприятия по эвакуации людей. Угловые размеры зоны возможного заражения зависят от горизонтальной устойчивости атмосферы- от скорости ветра:

Поскольку при прогнозировании масштабов аварии принимается скорость ветра 1м/с, то и форма ожидаемой зоны заражения будет представлять собой полукруг, развернутый по розе ветров.

Время подхода зараженного облака определяет время оповещения и эвакуационные мероприятия. Скорость переноса переднего фронта зараженного облака определяется(м/с):

- скорость ветра по данным метеорологическим исследованиям(м/с)

К- коэффициент, зависящий от вертикальной устойчивости атмосферы, К=1.45- для инверсии, К=1.65- для изотермии, К=1.95- для конвекции. Зная скорость переноса зараженного облака, можем определить время его подхода к заданному объекту(c):

S- расстояние от источника заражения до данного объекта(м) Продолжительность поражающего действия определяет срок, на который должны быть рассчитаны защитные мероприятия. Продолжительность поражающего действия АХОВ можно прогнозировать лишь при авариях, в которых химическое вещество содержится в жидкой фазе. Загрязнение воздуха будет происходить, пока идет испарение жидкой фазы. На скорость испарения влияют: физико-химические свойства вещества( темп кипения, летучесть), метеорологические условия. Для локализации химического заражения используют:

· Обвалование разлившейся жидкости

· Создание препятствий на пути растекания АХОВ

· Сбор АХОВ в естественные углубления, ловушки(ямы, канавы, кюветы)

Для снижения скорости испарения и ограничения глубины заражения воздуха:

· Рассеивание(поглощение) паров АХОВ с помощью водяных завес

· Поглощение жидкости слоем сыпучего материала (грунтом, песком, шлаком, опилками)Дегазация (нейтрализация) АХОВ растворами химических агентов. Кислые газы: хлор, фосген, фтороводород, сернистый ангидрид нейтрализуют щелочными растворами едкого натра и карбоната натрия.

Пожаровзрывоопасные объекты: причины разрушительных воздействий, физический и химический взрыв, поражающие факторы взрыва и пожара. Понятие о тротиловом эквиваленте, радиусе разрушения и степени поражения людей.

Пожаровзрывоопасный объект(ПВОО)- это объект любого назначения, на котором производят, используют, хранят или транспортируют энергоемкие технологические среды, создающие потенциальную опасность возникновения крупномасштабных техногенных ЧС.

Энергоемкие технологические среды- вещества и материалы в различных агрегатных состояниях, их смеси, способные при определенных условиях быстро и неуправляемо высвобождать запас своей внутренней энергии, совершая разрушительную работу. Высвобождаемая энергия может иметь физическую, химическую или физико-химическую природу.

Причинами высвобождения физической энергии может быть адиабатическое расширение или перегрев технологической среды. Адиабатическое расширение как причина аварии характерно для сосудов и аппаратов, работающих под избыточным давлением. Общая энергия, затрачиваемая в этом случае на разрушительное воздействие(кДж):

и - атмосферное и абсолютное давление в аппарате (кПа)

V- геометрический объем парогазовой среды в аппарате(м³)

- показатель адиабаты технологической среды в аппарате, соотношение теплоемкости вещества при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме

Физическая энергия выделяется также при аварии технологического оборудования, в котором жидкая среда находится в перегретом состоянии: жидкости нагретые выше температур их кипения при нормальных условиях( вода в паровых котлах); сжиженные газы, имеющие температуру кипения ниже окружающего воздуха( пропан, аммиак, хлор). Количество энергии, приходящей на разрушительную работу(кДж):

m- масса перегретой жидкости(кг)

с- удельная теплоемкость жидкости( кДж/(кг*к))

- температура жидкости в аппарате и температура жидкости в нормальных условиях(к). Быстрое и неуправляемое высвобождение энергии- физический взрыв.

Причинами высвобождения химической энергии может быть экзотермическая реакция или разложение технологической среды. Экзотермические реакции происходят при взаимодействии технологической среды с окислителями(реакции горения). Вещества органического и неорганического происхождения, способные к химическому взаимодействию с окислителями с большим экзотермическим эффектом называют горючими. Количество энергии, выделяемой при горении(кДж):

m- масса горючего вещества, участвующего в реакции(кг)

- удельная теплота сгорания горючего вещества(кДж/кг)

Для химически нестабильных соединений(ацетилен, тринитротолуол(ТНТ), аммонал-смесь нитрата аммония(80%) и ТНТ(20%)) характерно разложение на исходные элементы без участия окислителя. Это приводит к выделению энергии разложения данных веществ и взрыву(детонации). Быстрое и неуправляемое высвобождение химической энергии технологической среды, с образованием разрушительных ударных волн- химический взрыв.

Однако химическая энергия может высвобождаться в течение длительного промежутка времени( горение древесины, угля, паров жидкостей). Такой процесс неконтролируемого высвобождения химической энергии без образования ударных волн называется пожаром.

Объективно оценить долю участия всех факторов в разрушительном воздействии невозможно, если ориентироваться на общее количество энергии, которое может быть выделено технологической средой в условиях аварии. Поэтому прибегают к такому показателю, как удельная мощность энерговыделения(кДж/(с*кг)):

-время энерговыделения(с)

m- масса технологической среды, участвующей в аварии(кг).

При оценке последствий аварийных ситуаций на ПВОО возникает необходимость разделения общего запаса внутренней энергии энергоемкой среды на составляющие(кДж):

- часть общей энергии технологической среды, которая затрачивается на формирование ударной волны

- часть общей энергии технологической среды, реализуемой на тепловое воздействие

- энергетические потери

Энергия, которая затрачивается на формирование ударной волны, оценивается тротиловым эквивалентом. Тротиловый эквивалент- это условная масса ТНТ(кг), энергия взрыва которой эквивалентна энергии взрыва технологической среды, затраченной на формирование ударной волны. Исходя из этого, может быть составлен энергетический баланс ударных волн, генерируемых взрывом технологической среды(с одной стороны) и ТНТ(с другой):

- тротиловый эквивалент(кг)

- удельная энергия взрывного разложения ТНТ, равная 4.52МДж/кг

z- доля внутренней энергии, затраченной на суммарное разрушительное воздействие(учитывает энергетические потери)

- доля разрушительной энергии, затраченной на процесс сжатия во фронте ударной волны(К=0.9 для нестабильных и взрывчатых веществ, К=0.4 для всех других технологических сред)

Знание тротилового эквивалента позволяет определить границы зон с характерными разрушениями(м):

R-радиус зоны разрушения, - безразмерный коэффициент, характеризующий воздействие ударной волны на объект

По характеру разрушений зданий выделяют 5 зон разрушения:

Поражения людей вызываются как непосредственным воздействием ударной волны, так и косвенным. При непосредственном воздействии причиной появления травм у человека является мгновенное повышение давления воздуха при подходе фронта волны. Легкие поражения- легкая контузия, временная потеря слуха, ушибы возникают при избыточном давлении 20-40кПа. Средние поражения- травма мозга с краткой потерей сознания, повреждения органов слуха, кровотечения из носа и ушей, переломы и вывихи конечностей при 40-60кПа. Тяжелые и крайне тяжелые поражения человека, вплоть до его гибели при 60-100кПа и более.

Косвенное действие ударной волны проявляется в метательном действии( под воздействием давления человека отбрасывает, могут быть получены травмы летящими обломками и другими предметами) и тепловом воздействии. Температура во фронте ударной волны может повышаться до 65 .

Объемные и наружные пожары. Понятие об удельной пожарной нагрузке в помещении и интенсивности теплового излучения на открытой территории. Категорирование наружных установок по пожарной опасности.

Различают 2 типа пожаров: объемный- возникает внутри производственного здания и наружный- возникает на объектах, находящихся на открытых производственных площадках. Для объемных пожаров характерными признаками являются:

· Быстро нарастающее тепловое воздействие очага горения на оборудование, строительные конструкции, людей из-за ограниченного пространства помещения

· Выделение больших количеств токсичных продуктов неполного сгорания горючих веществ и их быстрое накопление в объеме помещения

· Задымление объема помещения, затрудняющего эвакуацию из него людей

Разрушительный эффект тепловыделений при объемных пожарах принято оценивать количеством теплоты, выделяемой с единицы поверхности горения в единицу времени- пожарная нагрузка(q) (кВт/м²):

- теплота сгорания вещества(кДж/кг)

- массовая скорость выгорания вещества, т.е. количество вещества которое выгорает в единицу времени с единицы поверхности горения(кг/(м²*с))- не является для индивидуального вещества константой, поэтому при расчете пожарной нагрузки пользуются формулой:

и - теплота сгорания вещества и стандартная теплота сгорания древесины, равная 13800кДж/кг, m- масса горючего вещества, участвующего в горении(кг), -площадь поверхности(м²), - удельная пожарная нагрузка(кг/м²).

На основании удельной пожарной нагрузки можно оценить необходимый предел огнестойкости строительных конструкций, необходимое время эвакуации людей из здания, исходя из которого проектируются эвакуационные выходы. Предел огнестойкости- это время, в течение которого конструкция не горит и сохраняет свои несущие способности. При определении необходимого времени эвакуации используют критерии:

· Человек должен покинуть помещение до достижения в нем объемной температуры воздуха 70

· Человек должен покинуть помещение до достижения в нем временно допустимой концентрации(ВДК) вредных в-в- продуктов термического разложения горючих в-в. ВДК- концентрация вещества в воздухе, устанавливаемая на уровне порога острого действия при кратковременном(30мин) воздействии на организм человека.

· Человек должен покинуть помещение, пока концентрация кислорода в воздухе не снизится ниже 17%

· Человек должен покинуть помещение, пока предельная дальность видимости в дыму не снизится до 20м, иначе он потеряет ориентировку в пространстве

Для наружных пожаров интенсивность выделения теплового излучения на любом расстоянии от эпицентра горения может быть рассчитана по формуле(кВт/м²):

- средняя поверхностная плотность теплового излучения(кВт/м²)

- угловой коэффициент облученности, зависит от геометрических размеров очага горения и его удаленности от поражаемого объекта

- коэффициент пропускания атмосферы, зависящий от вертикальной и горизонтальной устойчивости атмосферы, температуры воздуха и погодных условий. Зная величину теплового излучения, можно оценивать вероятность поражения людей и окружающих объектов.

Наружные пожары возникают на открытой территории, на наружных установках. Наружная установка- комплекс аппаратов и технологического оборудования, расположенных вне здания. При категорировании наружных установок учитывают: физико-химические и пожароопасные свойства веществ, их количество, а также индивидуальный риск поражения ударной волной и тепловым излучением.

Категорирование наружных установок:

Категория наружной установки	Характеристика в-в и материалов	Расчетный параметр
АН (повышенная взрывопожароопасность)	Горючие газы, ЛВЖ с температырой вспышки не более 28оС в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, и вещества и материалы, способные взрываться или гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом	Индивидуальный риск поражения ударной волной R (на расстоянии 30м)   (ΔP, I- избыточное давлении, импульс)
БН(взрывопожароопасность)	Горючие пыли и волокна, ЛВЖ с температурой вспышки более 28оС, в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пылевоздушные или паровоздушные смеси
ВН(повышенная пожароопасность)	Горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие и трудногорючие вещества и материалы(в том числе и пыли), в-ва способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть(при условии, что помещения в которых они находятся не относятся к классам А или Б)	Индивидуальный риск поражения тепловым излучением при аварии на расстоянии 30м не превышает 10-6 (q-интенсивность теплового излучения)
ГН(умеренная пожароопасность)	Негорючие в-ва и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени, или горючие газы, жидкости, твердые в-ва, которые сжигаются или утилизируются
ДН(пониженная пожароопасность)	Негорючие в-ва и материалы в холодном состоянии