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平安系统工程平安系统工程 第六章第六章 典型事故影响模型与计算典型事故影响模型与计算6.1 泄漏模型604就就就就6.2 扩散模型6.3 火灾模型6.4 爆炸模型6.5 事故伤害的计算方法本章学习目标与方法本章学习目标与方法 学习目标 要求掌握泄露模型、扩散模型、火灾模型、爆炸模型的机理及其计算表达式，熟悉火灾辐射伤害、爆炸超压伤害、毒物泄露伤害的计算方法，学会运用相关模型进行危化品事故的泄露、扩散、危害的计算和分析。学习方法 学习本章内容需温习高等数学、流体力学等相关数学知识，可结合?化工企业定量风险评价导那么AQ/T3046-2021?提升对各类模型的实际应用能力，同时可尝试使用matlab等软件实现模型求解。第一节第一节 泄漏模型泄漏模型泄漏主要包括液体泄漏、气体泄漏和两相流泄漏等泄漏主要包括液体泄漏、气体泄漏和两相流泄漏等液体泄漏模型气体泄漏模型两相流泄漏模型6.1.1 液体泄漏模型液体泄漏模型 液体泄漏量可根据流体力学中的伯努利方程计算泄漏量。当发生泄漏的设备的裂口是规那么的，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。当裂口不规那么时，可采用等效尺寸代替；当泄漏过程中压力变化时，那么往往采用经验公式。Q 液体泄漏速度，kg/s；Cd液体泄漏系数，按表6-1选取；A裂口面积，m2；6.1.1 液体泄漏模型液体泄漏模型泄漏液体密度，kg/m3；P容器内介质压力，Pa；P0环境压力，Pag重力加速度，9.8 m/s2；h裂口之上液位高度，m。雷诺数Re裂口形状圆形（多边形）三角形长方形1000.650.600.551000.500.450.40表表6-1 6-1 液体泄漏系数液体泄漏系数Cd6.1.1 液体泄漏模型液体泄漏模型 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：Cp液体的定压比热，J/kgK；T泄漏前液体的温度，K；T0液体在常压下的沸点，K；H液体的气化热，J/kg。气体泄漏模型气体泄漏模型 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。当下式成立时，气体流动属音速流动当下式成立时，气体流动属音速流动：当下式成立时，气体流动属亚音速流动：当下式成立时，气体流动属亚音速流动：k气体的绝热指数等熵指数，即定压比热Cp与定容比热CV之比。气体泄漏模型气体泄漏模型气体呈音速流动时，其泄漏量为：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：气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：Cg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0.90Y气体膨胀因子，它由下式计算：气体泄漏模型气体泄漏模型A裂口面积，m2；M分子量；气体密度，kg/m3；R普适气体常数，J/molK，通常取R8.31436；T气体温度，K。气体空气氮气氧气氢气甲烷乙烷乙烯丙烷氨气K 值1.401.401.3971.4121.3151.181.221.331.32气体氯气干饱和蒸气一氧化碳二氧化碳一氧化氮二氧化氮过热蒸气氢氰酸K 值1.351.1351.3951.2951.41.311.31.31表表6-2 6-2 常用气体的绝热指数常用气体的绝热指数6.1.3 两相流泄漏模型两相流泄漏模型 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：6-116-11Q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两相混合物的压力，Pa；Pc临界压力，Pa，可取Pc=0.55Pa；6.1.3 两相流泄漏模型两相流泄漏模型两相混合物的平均密度，kg/m3，它由下式计算：1液体蒸发的蒸气密度，kg/m3；2液体密度，kg/m3；Mv蒸发的液体占液体总量的比例，它由下式计算：当Mv 1时，说明液体将全部蒸发成气体，这时应按气体泄漏公式计算；如果Mv很小，那么可近似按液体泄漏公式计算。6.1.3 两相流泄漏模型两相流泄漏模型Cp两相混合物的定压比热，J/kgK；T两相混合物的温度，K；Tc临界温度，K；Hv液体的气化热，J/kg。1.1.3 两相流泄漏模型两相流泄漏模型 如果管道长度和管道直径之比L/D0.10极严重，可能大部分死亡表6-15 冲击波超压对建筑物的破坏作用 物理爆炸物理爆炸超压 /MPa破坏作用0.0050.006门、窗玻璃部分破碎0.0060.010受压面的门窗玻璃大部分破碎0.0150.02窗框损坏0.020.03墙裂缝0.040.05墙大裂缝，房瓦掉下0.060.07木建筑厂房房柱折断，房架松动0.070.10砖墙倒塌0.100.20防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌0.200.30大型钢结构破坏 物理爆炸物理爆炸 冲击波的伤害、破坏作用准那么有超压准那么、冲量准那么和超压冲量准那么等。下面仅介绍超压准那么。超压准那么认为，只要冲击波超压到达一定值，便会对目标造成一定的伤害或破坏。利用式上式和表6-16及爆炸的炸药量或TNT当量即可计算确定各种相应距离下的超压。物理爆炸物理爆炸 综上所述，计算压力容器爆破时对目标的伤害、破坏作用，可按以下程序进行。1首先根据容器内所装介质的特性，分别选用式(6-54)至(6-58)计算出其爆破能量E。2将爆破能量q换算成TNT当量q。因为1kgTNT爆炸所放出的爆破能量为4230kJ/kg4836kJ/kg,一般取平均爆破为4500 kJ/kg,故其关系为：物理爆炸物理爆炸 3按式(6-59)求出爆炸的模拟比，即 4求出在1000kgTNT爆炸试验中的相当距离RO，即RO=R/。5根据RO值在表6-11中找出距离为RO处的超压RO(中间值用插入法)，此即所求距离为R处的超压。6根据超压R值，从表6-14、6-15中找出对人员和建筑场的伤害、破坏作用。物理爆炸物理爆炸 5.5.压力容器爆炸时碎片能量及飞行距离计算压力容器爆炸时碎片能量及飞行距离计算 压力容器爆炸时，壳体可能破裂为很多大小不等的碎片或碎块压力容器爆炸时，壳体可能破裂为很多大小不等的碎片或碎块向四周飞散抛掷，造成人员伤亡或财产损失。向四周飞散抛掷，造成人员伤亡或财产损失。1 1碎片能量的计算碎片能量的计算 碎片飞出时具有动能，动能的大小与每块碎片的质量及速度的碎片飞出时具有动能，动能的大小与每块碎片的质量及速度的平方成正比，即：平方成正比，即：物理爆炸物理爆炸 根据有关研究，碎片击中人体时的动能在26J以上时，可致外伤；碎片击中人体时的动能在60J以上时，可致骨部外伤；碎片击中人体时的动能在200J以上时，可致骨部重伤。2碎片飞行距离的计算 压力容器碎片飞离壳体时，一般具有80120m/s的初速，即使在飞离容器较远的地方也常有2030m/s的速度。物理爆炸物理爆炸 3碎片穿透量的计算 压力容器爆炸时，碎片常常会损坏或穿透临近的设备管道，引发二次火灾、爆炸或中毒事故。压力容器爆炸时，碎片的穿透力与碎片击中时的动能成正比。化学爆炸化学爆炸 1 1凝聚相爆炸凝聚相爆炸 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，但破坏力最强，破坏区域最大的是冲击波的破坏效应，因此，凝聚相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最大正相超压 化学爆炸化学爆炸2 2 蒸气云爆炸蒸气云爆炸Vapor Cloud ExplosionVapor Cloud Explosion，简称，简称VCEVCE蒸气云爆炸产生的冲击波超压是其主要危害。化学爆炸化学爆炸3.3.沸腾液体扩展蒸气爆炸沸腾液体扩展蒸气爆炸 易燃易爆的液化气体容器在外部火焰的烘烤下可能发生突然破裂，压力平衡被破坏，液体急剧气化，并随即被火焰点燃而发生爆炸，产生巨大的火球，危害极其严重。这种事故被称为沸腾液体扩展为蒸气爆炸。沸腾液体扩展蒸气爆炸的主要危险是火球产生的强烈热辐射伤害。1火球直径2火球持续时间 化学爆炸化学爆炸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：4火球外表热辐射能量 假设火球外表热辐射能量是均匀扩散的。火球外表热辐射能量由下式计算：化学爆炸化学爆炸5视角系数6大气热传递系数7火球热辐射强度 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可由下式计算：第五节第五节 事故伤害的计算方法事故伤害的计算方法5.15.25.3火灾辐射伤害计算方法爆炸超压伤害计算方法毒物泄漏伤害计算方法6.5.1 火灾辐射伤害计算方法火灾辐射伤害计算方法 火灾通过辐射热的方式影响周围环境，当火灾产生的热辐射强度足够大时，可使周围的物体燃烧或变形，强烈的热辐射可能烧毁设备甚至造成人员伤亡等。表6-18为稳态火灾下不同入射通量造成的伤害情况。火灾的事故后果主要包括：池火灾、喷射火、沸腾液体扩火灾的事故后果主要包括：池火灾、喷射火、沸腾液体扩展蒸气云爆炸火球、固体火灾。展蒸气云爆炸火球、固体火灾。6.5.1 火灾辐射伤害计算方法火灾辐射伤害计算方法 1.1.人身伤害概率计算人身伤害概率计算2.2.人身伤害半径计算人身伤害半径计算死亡热通量重伤热通量6.5.1 火灾辐射伤害计算方法火灾辐射伤害计算方法 轻伤热通量3.3.财产损失半径计算财产损失半径计算4.4.间接财产损失计算间接财产损失计算6.5.2 爆炸超压伤害计算方法爆炸超压伤害计算方法 爆炸事故所产生的冲击波超压会对人体和建筑物造成严爆炸事故所产生的冲击波超压会对人体和建筑物造成严重的的伤害和破坏作用。爆炸事故后果主要包括：凝聚相爆重的的伤害和破坏作用。爆炸事故后果主要包括：凝聚相爆炸、物理爆炸、蒸气云爆炸。炸、物理爆炸、蒸气云爆炸。6.5.2 爆炸超压伤害计算方法爆炸超压伤害计算方法 1.1.冲击波超压伤害概率冲击波超压伤害概率2.2.人身伤害半径计算人身伤害半径计算死亡半径重伤半径轻伤半径6.5.2 爆炸超压伤害计算方法爆炸超压伤害计算方法 3.3.财产损失半径计算财产损失半径计算6.5.3 毒物泄漏伤害计算方法毒物泄漏伤害计算方法 毒物泄漏扩散引发中毒主要包括：非重气扩散和重气扩散。毒物泄漏扩散引发中毒主要包括：非重气扩散和重气扩散。1.1.毒气伤害概率毒气伤害概率2.2.扩散危害区域扩散危害区域瞬间泄漏危害区域6.5.3 毒物泄漏伤害计算方法毒物泄漏伤害计算方法 连续泄漏危害区域本章思考题本章思考题2.讨论重气云扩散与非重气云扩散的特点。3.讨论池火灾高度、池火灾半径与液池半径的关系。1.爆炸冲击波对人体损伤和哪些因素有关?课后习题课后习题 1.分别画出火灾辐射伤害、爆炸超压伤害、毒物泄漏伤害的计算流程图。2.某化工厂有液氨卧式储罐两个,单罐容积为100m3,设定有效容积为80%,每罐可储存液氨45.12t,储存压力2.05MPa(绝对压力),储存温度小于32。试计算:(1)火场中储罐受热破裂(BLEVE),造成的爆燃火球伤害(损失)半径。(2)液氨储罐瞬间大量泄漏,氨气与空气形成爆炸气体后遇火源,那么发生蒸气云爆炸(VCE),爆炸冲击波造成的人员伤害范围。
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