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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,安全系统工程,Safety System Engineering,9/16/2024,1,第六章,典型事故影响模型与计算,9/16/2024,2,主要内容,6.1,泄漏模型,6.2,扩散模式,6.3,火灾模型,6.4,爆炸模型,6.5,事故伤害的计算方法,安全系统工程,9/16/2024,3,泄漏主要包括液体泄漏、气体泄漏和两相流泄漏等,6.1,泄漏模型,6.1.1,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，可采用等效尺寸代替；当泄漏过程中压力变化时，则往往采用经验公式。,9/16/2024,4,Q,液体泄漏速度，,kg/s,；,C,d,液体泄漏系数，按表,6-1,选取；,A,裂口面积，,m,2,；,泄漏液体密度，,kg/ m,3,；,P,容器内介质压力，,Pa,；,P,0,环境压力，,Pa,g,重力加速度，,9.8 m/ s,2,；,h,裂口之上液位高度，,m,。,表,6-1,液体泄漏系数,C,d,雷诺数,Re,裂口形状,圆形（多边形）,三角形,长方形,100,0.65,0.60,0.55,100,0.50,0.45,0.40,9/16/2024,5,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：,C,p,液体的定压比热，,J/,kgK,；,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,。,9/16/2024,6,6.1.2,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，气体流动属亚音速流动：,k,气体的绝热指数（等熵指数），即定压比热,C,p,与定容比热,C,V,之比。,9/16/2024,7,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：,C,g,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,Y,气体膨胀因子，它由下式计算：,A,裂口面积，,m,2,；,M,分子量；,气体密度，,kg/ m,3,；,R,普适气体常数，,J/,molK,，通常取,R,8.31436,；,T,气体温度，,K,。,9/16/2024,8,气体,空气,氮气,氧气,氢气,甲烷,乙烷,乙烯,丙烷,氨气,K,值,1.40,1.40,1.397,1.412,1.315,1.18,1.22,1.33,1.32,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,1.35,1.135,1.395,1.295,1.4,1.31,1.3,1.31,表,6-2,常用气体的绝热指数,9/16/2024,9,6.1.3,两相流泄漏模型,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：,Q,两相流泄漏速度，,kg/s,；,C,d,两相流泄漏系数，可取,0.8,；,A,裂口面积，,m,2,；,P,两相混合物的压力，,Pa,；,P,c,临界压力，,Pa,，可取,P,c,=0.55Pa,；,两相混合物的平均密度，,kg/ m,3,，它由下式计算：,（,6-11,）,9/16/2024,10,1,液体蒸发的蒸气密度，,kg/ m,3,；,2,液体密度，,kg/ m,3,；,M,v,蒸发的液体占液体总量的比例,，它由下式计算：,C,p,两相混合物的定压比热，,J/,kgK,；,T,两相混合物的温度，,K,；,T,c,临界温度，,K,；,H,v,液体的气化热，,J/kg,。,当,M,v,1,时,，表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,M,v,很小，,则可近似按液体泄漏公式计算。,9/16/2024,11,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,9/16/2024,29,表,6-15,冲击波超压对建筑物的破坏作用,超压,/,MPa,破坏作用,0.005,0.006,门、窗玻璃部分破碎,0.006,0.010,受压面的门窗玻璃大部分破碎,0.015,0.02,窗框损坏,0.02,0.03,墙裂缝,0.04,0.05,墙大裂缝，房瓦掉下,0.06,0.07,木建筑厂房房柱折断，房架松动,0.07,0.10,砖墙倒塌,0.10,0.20,防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌,0.20,0.30,大型钢结构破坏,9/16/2024,30,冲击波的伤害、破坏作用准则有超压准则、冲量准则和超压,冲量准则等。下面仅介绍超压准则。,超压准则认为，只要冲击波超压达到一定值，便会对目标造成一定的伤害或破坏。,实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，目标到爆炸中心距离和炸药量若满足式（,6-59,）要求,则,（,6-59,）,（,6-60,）,9/16/2024,31,式中，,R,目标与距爆炸中心距离，,m,；,R,0,目标与基准爆炸中心的距离，,m,；,q ,爆炸时产生冲击波所消耗的能量，,TNT,当量，,kg,；,q,0,基准爆炸能量，,TNT,当量，,kg,；,炸药爆炸实验的模拟比；,p ,目标处的超压，,MPa,；,p,0,基准目标处的超压，,MPa,。,利用式（,6-59,）和式（,6-60,）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。表,6-16,是,1000kgTNT,炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压。,9/16/2024,32,表,6-16 1000kgTNT,炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压,距离,/m,5,6,7,8,9,10,12,14,超压,/,MPa,2.94,2.06,1.67,1.27,0.95,1.76,0.50,0.33,距离,/m,16,18,20,25,30,35,40,45,超压,/,MPa,0.235,0.17,0.126,0.079,0.057,0.043,0.033,0.027,距离,/m,50,55,60,65,70,75,超压,/,MPa,0.0235,0.0205,0.018,0.016,0.0143,0.013,9/16/2024,33,【,例,6-2】,设有一压缩气体储罐，容积,15m3,，压力,1,MPa,（表压），运行时容器破裂爆炸。试计算储气罐爆炸时的能量，并估算距离为,10m,处的冲击波超压。,【,解,】,储气罐破裂时的能量：,TNT,当量：,9/16/2024,34,与,1000kgTNT,的模拟比为：,与模拟实验中的相当距离为：,查表,6-16,，用插入法求得离爆炸源,10m,处的冲击波超压为,0.0178,MPa,。由表,6-14,和表,6-15,可查出其对人员的伤害及对建筑物的破坏。,9/16/2024,35,5.,压力容器爆炸时碎片能量及飞行距离计算,（,1,）碎片能量的计算,式中，,E ,碎片的动能，,J,；,m ,碎片的质量，,kg,；,v ,碎片击中人或物体的速度，,m/s,。,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。,9/16/2024,36,（,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,80,120m/s,的初速，即使在飞离容器较远的地方也常有,20,30m/s,的速度。,设爆炸时压力容器或碎片离地面高度为,h,，则压力容器或碎片平抛初速度,v,0,与飞行距离,R,的关系，可由下式计算：,若压力容器爆炸时碎片或容器抛出时与地面成角,，则抛初初速度,v,0,与飞行距离,R,的关系为：,9/16/2024,37,（,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：,式中，,S,碎片对材料的穿透量，,mm,；,E,碎片击中物体时所具有的动能，,J,；,A,碎片穿透方向的截面积，,mm2,；,Kc,材料的穿透系数，见表,6-17,。,9/16/2024,38,表,6-17,材料的穿透系数,材料名称,钢板,钢筋混凝土,木材,穿透系数,1,10,40,9/16/2024,39,6.4.2,化学爆炸,1,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。,9/16/2024,40,凝聚相含能材料的爆炸冲击波最大正相超压,p,，可按下式计算：,9/16/2024,41,9/16/2024,42,2, 蒸气云爆炸,蒸气云爆炸冲击波最大正相超压,p,，可按下式计算：,9/16/2024,43,9/16/2024,44,3.,沸腾液体扩展蒸气爆炸,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,式中，,D,火球直径，,m,；,W,火球中消耗的可燃物质量，,kg,。对单罐储存，取罐容量的,50,；对双罐储存，取罐容量的,70,；对多罐储存，取罐容量的,90,。,9/16/2024,45,3.,沸腾液体扩展蒸气爆炸,（,2,）火球持续时间,式中，,t,火球持续时间，,s,。,（,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：,9/16/2024,46,3.,沸腾液体扩展蒸气爆炸,（,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由下式计算：,式中，,SEP,火球表面热辐射能量，,W,；,火球表面的辐射能量比；,H,a,火球的有效燃烧热，,J/kg,。,9/16/2024,47,3.,沸腾液体扩展蒸气爆炸,（,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由下式计算：,式中，,SEP,火球表面热辐射能量，,W,；,火球表面的辐射能量比；,H,a,火球的有效燃烧热，,J/kg,。,与储罐破裂瞬间储存物料的饱和蒸气压力,P,（,MPa,）有关：,9/16/2024,48,3.,沸腾液体扩展蒸气爆炸,对于因外部火灾引起的沸腾液体扩展蒸气爆炸事故，上式中的,P,值可取储罐安全阀启动压力,Pv,（,MPa,）的,1.21,倍，即：,H,a,由下式求得：,式中，,H,c,燃烧热，,J/kg,；,H,v,常温沸点下的蒸发热，,J/kg,；,c,p,恒压比热，,J/,（,kgK,）；,T,火球表面火焰温度与环境温度之差，一般来说,T,1700K,。,9/16/2024,49,3.,沸腾液体扩展蒸气爆炸,（,5,）视角系数,视角系数,F,的计算公式如下：,式中，,r,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：,9/16/2024,50,6.5,事故伤害的计算方法,6.5.1,、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。,表,6-18,稳态火灾下不同入射通量造成的伤害情况,热辐射强度,（,kW/m,2,）,对人的伤害,37.5,1,死亡,/10s,，,100,死亡,/1min,25.0,严重（,2,度）烧伤,/10s,，,100,死亡,/1min,12.5,1,度烧伤,/10s,，,1,死亡,/1min,4.0,20s,以上引起疼痛但不会起水疱,1.6,长时间接触不会有不适感,9/16/2024,51,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。,1,人身伤害概率计算,热辐射伤害概率方程通常使用彼得森（,1990,年）提出的概率方程。,皮肤裸露时的死亡几率为：,二度烧伤几率为：,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,9/16/2024,52,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,一度烧伤几率为：,式中，,Pr,人员伤害几率；,t ,人暴露在火灾热辐射下持续的时间；,q,人体接受的辐射强度，,W/m2,。,同裸露人体相比，由于服装的防护作用，人体实际接受到的热辐射强度有所减少，人体实际接受的热辐射强度为：,式中，,q,c,人体实际接受的热辐射强度，,W/m,2,；,穿衣系数，可取,0.4,。,9/16/2024,53,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,由上述伤害几率，通过下式可得到相应的伤害概率：,9/16/2024,54,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,2,人身伤害半径计算,（,1,）稳态火灾,对于池火灾、喷射火灾和固体火灾这类稳态火灾，其人身伤害半径的计算是：根据暴露时间为,10s,，,50,的概率为原则，求得导致死亡热通量,q,1,、重伤热通量,q,2,、轻伤热通量,q,3,分别为,81830,，,69522,，,30548,，然后利用值,q,i,反算得到人身伤害半径。,9/16/2024,55,（,2,）瞬间火灾,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,计算过程是：根据火灾持续时间计算得到导致死亡、重伤和轻伤的热通量，然后利用值,q,i,反算得到人身伤害半径。,死亡热通量：,9/16/2024,56,（,2,）瞬间火灾,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,重伤热通量：,轻伤热通量：,9/16/2024,57,（,2,）瞬间火灾,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,火灾持续时间，,式中，,W,火球中消耗的可燃物质量，,kg,。对单罐储存，取罐容量的,50,；对双罐储存，取罐容量的,70,；对多罐储存，取罐容量的,90,。,9/16/2024,58,3,财产损失半径计算,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,火灾财产损失半径的计算是，通过式（,6-82,）计算目标接受的辐射通量，然后利用值反算便可以得到财产损失半径。,（,6-82,）,式中，,q,4,引燃木柴的所需的热通量，,W/m,2,，,t,火灾持续时间，,s,。,火灾持续时间的长短与火灾类型有直接关系。,9/16/2024,59,表,6-19,辐射热对周围环境的影响,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,辐射热量（,kW/m,2,）,对周围环境的影响,4000,不会起火灾,40007000,杉木板起火,7200,塑料起火,10000,一切木结构起火,50000,钢材变形,9/16/2024,60,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,火灾持续时间的长短与火灾类型有直接关系,（,1,）池火灾,式中，,t,火灾持续时间，,s,；,S,液池最大可能的面积，,m,2,；,m,f,单位面积燃烧速率，,kg/(m,2,s),。,（,2,）喷射火灾,式中，,t,火灾持续时间，,s,；,W,泄漏量，,kg,；,m,质量流速，,kg/s,。,9/16/2024,61,6.5.1,、火灾辐射伤害计算方法,火灾持续时间的长短与火灾类型有直接关系,（,3,）沸腾液体扩展蒸气爆炸火球,W,火球中消耗的可燃物质量，,kg,。对单罐储存，取罐容量的,50,；对双罐储存，取罐容量的,70,；对多罐储存，取罐容量的,90,。,4,间接财产损失,式中：,N1,总的死亡人数；,N2,总的重伤人数；,N3,总的轻伤人数；,S,间接财产损失，万元。,9/16/2024,62,6.5.2,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。,1,冲击波超压伤害概率,计算的过程是：首先通过爆炸的事故后果模型得出计算位置处的冲击波超压数值，然后通过冲击波超压伤害方程确定伤害情况。,死亡几率；,死亡概率。,冲击波超压与环境压力的比值；,9/16/2024,63,6.5.2,爆炸超压伤害计算方法,2,人身伤害半径,（,1,）死亡半径,R1,：,W,TNT,燃料的,TNT,当量，,kg,；,E,爆源总能量，,kJ,；,Q,TNT,TNT,的爆炸热，一般取,kJ/kg,。,（,2,）重伤半径,R2,：,9/16/2024,64,6.5.2,爆炸超压伤害计算方法,2,人身伤害半径,（,2,）重伤半径,R2,：,由实验资料，确定,为临界重伤超压值,然后根据爆炸冲击波超压的计算公式反算，就可得到凝聚相爆炸重伤半径,R2,的计算公式：,9/16/2024,65,无量纲距离；,爆源总能量，,kJ,。,环境压力，一般取,冲击波超压，,冲击波超压与环境压力的比值；,式中，,9/16/2024,66,6.5.2,爆炸超压伤害计算方法,2,人身伤害半径,（,3,）轻伤半径,R3,：,由实验资料，确定,为临界重伤超压值，则,然后，根据爆炸冲击波超压的计算公式反算，就可得到凝聚相爆炸重伤半径的计算公式：,9/16/2024,67,无量纲距离；,爆源总能量，,kJ,。,环境压力，一般取,冲击波超压，,冲击波超压与环境压力的比值；,式中，,9/16/2024,68,3,财产损失半径计算,6.5.2,爆炸超压伤害计算方法,式中，,R4,财产损失半径，指在冲击波作用下建筑物三级破坏半径，,m,；,K3,建筑物三级破坏系数，可取,4.6,。,9/16/2024,69,6.5.3,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。,1,毒气伤害概率,9/16/2024,70,常数，,取决于泄漏毒物的性质。,、,该浓度下的死亡概率。,接触毒物的时间，,min,；,泄漏气体的分子质量；,毒气的体积浓度，,ppm,；,式中，,毒气的浓度，,kg/m,3,；,该浓度下的死亡几率；,、,9/16/2024,71,
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