1. Руководство по безопасности "Методика оценки последствий аварий на взрывопожароопасных химических производствах" (далее - Руководство) разработано в целях содействия соблюдению требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств", утвержденных приказом Ростехнадзора от 11 марта 2013 г. N 96 (зарегистрирован Минюстом России 16 апреля 2013 г., регистрационный N 28138), требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Общие требования к обоснованию безопасности опасного производственного объекта", утвержденных приказом Ростехнадзора от 15 июля 2013 г. N 306 (зарегистрирован Минюстом России 20 августа 2013 г., регистрационный N 29581), и требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила безопасности химически опасных производственных объектов", утвержденных приказом Ростехнадзора от 21 ноября 2013 г. N 559 (зарегистрирован Минюстом России 31 декабря 2013 г., регистрационный N 30995).
2. Настоящее Руководство содержит рекомендации к расчетам зон распространения опасных веществ в атмосфере и оценке параметров воздушных ударных волн при взрывах ТВС, образующихся в атмосфере при промышленных авариях для обеспечения требований промышленной безопасности при проектировании, строительстве, капитальном ремонте, техническом перевооружении, реконструкции, эксплуатации, консервации и ликвидации опасных производственных объектов химических производств.
3. Организации, осуществляющие оценку последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей, могут использовать иные обоснованные способы и методы, чем те, которые указаны в настоящем Руководстве.
4. В Руководстве используют сокращения, обозначения а также термины и определения, приведенные в приложениях N 1 и 2 к настоящему Руководству.
5. Руководство распространяется на опасные производственные объекты, на которых обращаются взрывопожароопасные вещества.
6. При количественной оценке последствий аварий на взрывопожароопасных химических производствах рекомендуется проводить:
а) определение количества опасного вещества, участвующего в создании поражающих факторов аварии;
б) определение количественных параметров, характеризующих действие поражающих факторов (давление и импульс для ударных волн, интенсивность теплового излучения для пламени, размеры пламени и зоны распространения высокотемпературной среды при термическом воздействии, дальность дрейфа облака ТВС до источника зажигания);
в) сравнение рассчитанных количественных параметров с критериями поражения (разрушения).
7. Для определения количества опасного вещества, участвующего в создании поражающих факторов аварии, рекомендуется учитывать деление технологического оборудования и трубопроводов на изолируемые запорной арматурой секции (участки); интервал срабатывания и производительность систем аварийного сброса и опорожнения (в том числе на факел); влияние волновых гидродинамических процессов на режим истечения опасного вещества для протяженных трубопроводных систем (длиной более 500 м).
8. Оценку возможных последствий аварий рекомендуется проводить на основе методических документов, указанных в таблице N 1.
Таблица N 1
Назначение |
Документ |
1. Расчет параметров ударной волны, зон поражения и разрушения при воспламенении и взрыве облаков топливно-воздушных смесей |
|
2. Расчет концентрации, массы ОВ во взрывоопасных пределах и зон поражения при пожаре-вспышке и взрыве ТВС |
|
3. Определение параметров воздействия и зон поражения при горении пролива, огненном шаре, факельном горении |
Методика определения величин пожарного риска на производственных объектах |
4. Расчет параметров воздействия и зон поражения при горении ОВ в зданиях |
|
5. Расчет параметров воздействия и зон поражения продуктами горения |
|
6. Расчет параметров воздействия и зон поражения осколками |
СТО Газпром 2-2.3-400-2009* "Методика анализа риска для опасных производственных объектов газодобывающих предприятий ОАО "Газпром" |
________________
* Документ не приводится. За дополнительной информацией обратитесь по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.
9. Для более точного расчета, а также расчета последствий аварий с выбросом опасных веществ и взрывом облака ТВС в помещениях рекомендуется использовать методы вычислительной гидродинамики в соответствии с разделом III настоящего Руководства.
10. Для моделирования распространения опасных веществ рекомендуется проводить численное интегрирование системы уравнений в частных производных, представимых в виде уравнений (1-5).
Уравнение сохранения массы:
(1)
Уравнение сохранения импульса:
, (2)
где - тензор напряжений;
F - сопротивление потока стенкам;
F - сопротивление потока препятствиям, чей размер меньше одной ячейки вычислительной сетки:
Уравнение переноса для энтальпии:
(3)
Уравнение переноса для массовой доли топлива:
(4)
Уравнение переноса для доли смешения:
(5)
11. Турбулентность рекомендуется моделировать по модели , которая состоит из двух уравнений, одно для кинетической энергии турбулентности (6), а второе для диссипации кинетической энергии турбулентности (7).
Уравнение турбулентной кинетической энергии:
. (6)
Уравнение скорости диссипации турбулентной кинетической энергии:
. (7)
12. Тензор турбулентных вязких напряжений, используемый в уравнении (2), рекомендуется определять следующим образом:
, (8)
где эффективная вязкость определяется следующим образом:
, (9)
где - турбулентная или вихревая вязкость.
13. Вклад сдвиговой турбулентности G, движения поверхностей G, гравитационной турбулентности G и препятствий, чей размер меньше одной ячейки G в образование кинетической энергии турбулентности рекомендуется представлять в виде:
, (10)
где
(11)
(12)
. (13)
14. Диссипацию турбулентной энергии рекомендуется описывать уравнением:
, (14)
где модель плавучести определяется следующим образом:
.
Для моделей с вихревой вязкостью тензор напряжений Рейнольдса определяется следующим образом:
. (15)
В уравнениях (10)-(15) используются константы, сведения о которых приведены таблицах N 2 и 3
Таблица N 2
Значения коэффициентов модели Лаундера и Спалдинга
С |
С |
С |
С |
0.09 |
1.44 |
0.92 |
0.8 |
Таблица N 3
Значения коэффициентов модели турбулентности Прандтля-Шмидта
0.7 |
0.7 |
0.7 |
1.0 |
1.3 |
0.9 |
15. У поверхности земли рекомендуется учитывать эффекты пограничного слоя. Характеристический масштаб в приграничном слое определяется по формуле:
, (16)*
где и Т - плотность и температура среды;
С - изобарная теплоёмкость;
k - кинетическая энергия турбулентности;
- гравитационная постоянная;
Н - поток тепла от поверхности;
u* - скорость трения.
______________
* Формула и экспликация к ней соответствуют оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.
Масштаб Монина-Обухова (Таблица N 4) является мерой стабильности атмосферных пограничных слоев.
Таблица N 4
Масштабы Монина-Обухова и классы устойчивости
Масштаб Монина-Обухова |
Устойчивость |
Малый отрицательный -100<L<0 |
Очень неустойчивая |
Большой отрицательный -10<L<100 |
Неустойчивая |
Очень большой | L |>10 |
Нейтральная |
Большой положительный 10<L<10 |
Устойчивая |
Малый положительный 0<L<10 |
Очень устойчивая |
16. Масштаб Монина-Обухова рекомендуется оценивать с помощью классов по Паскуиллу, которые являются методом классификации количества турбулентности в атмосфере.
Распределение скорости по высоте:
(17)
Скорость сдвига:
, (18)
где определяется по формуле:
, (19)
где:
. (20)
17. В таблице N 5 приводятся параметры, необходимые для расчета скорости, и в пограничных слоях:
Таблица N 5
Масштабы Монина-Обухова и классы устойчивости
Класс Паскуилла |
Устойчивость |
Высота пограничного слоя |
L , м |
z , м |
А |
Неустойчивая |
1500 м |
33.162 |
1117 |
В |
Неустойчивая |
1500 м |
33.258 |
1146 |
С |
Слабо неустойчивая |
1000 м |
51.787 |
1.324 |
D |
Нейтральная |
1 |
0 |
|
Е |
Слабо устойчивая |
-48.33 |
1.262 |
|
F |
Устойчивая |
31.323 |
19.36 |
По приведенным данным из таблицы N 5 масштаб Монина-Обухова рассчитывается следующим образом (21):
. (21)
18. Для неустойчивых пограничных слоев (А, В и С) параметры рекомендуется рассчитывать по формулам:
(22)
, (23)
где - скорость передачи тепла:
, (24)
где Н - коэффициент теплопередачи, плотность и теплоемкость С воздуха получены при температуре Т и Р плотности окружающей среды.
19. Для нейтральных и устойчивых пограничных слоев:
(25)
. (26)
20. Ламинарную скорость пламени смеси горючих веществ рекомендуется оценивать по формулам (27)-(28).
Зависимость скорости ламинарного горения от давления:
. (27)
Для квазиламинарного режима горения:
, (28)
где R - газовая постоянная для конкретного вещества или смеси:
, (29)
где R - универсальная газовая постоянная;
М - молярная масса.
21. Турбулентную скорость пламени рекомендуется определять по формуле:
. (30)
22. Скорость пламени рекомендуется определять по следующему соотношению:
. (31)
23. Коэффициент диффузии из уравнения переноса топлива определяется по формуле (32):
. (32)
Безразмерную скорость реакции и коэффициент диффузии можно определить по следующим соотношениям:
(33)
, (34)
где - длина контрольного объема в первом слое над поверхностью земли;
l - перемешивание.
. (35)
При заданном пределе затухания 0.05 получено следующее соотношение между коэффициентом диффузии D и безразмерной скоростью реакции W:
, (36)
где:
(37)
. (38)
Скорость реакции топлива моделируется следующим образом:
, (39)
где - функция Хевисайда.
25*. Примеры моделирования аварий с использованием методов вычислительной гидродинамики приведены в приложении N 3 к настоящему Руководству.
Приложение N 1
к Руководству по безопасности
"Методика оценки последствий аварий на
взрывопожароопасных химических
производствах", утвержденному приказом
Федеральной службы по экологическому,
технологическому и атомному надзору
от 20 апреля 2015 г. N 160
В настоящем Руководстве используются следующие обозначения и сокращения:
ОВ - опасное вещество;
ТВС - топливно-воздушная смесь;
- объемная пористость;
- поверхностная пористость в i-м направлении;
- показатель степени давления для ламинарного горения;
- дельта функция, 1, если i=j и 0, если i j
- функция Хевисайда, тэта-функция; 1, если а b и 0, если а<b ;
- диссипация турбулентной кинетической энергии, м с
- доля компонента смеси;
- динамическая вязкость, Па·с ;
- динамическая турбулентная вязкость, Па·с ;
- эффективная вязкость, Па·с , ;
Р - плотность, кг·м ;
- плотность окружающей среды, кг·м ;
, , , , , - турбулентные числа Прандтля-Шмидта,
- компонента тензора напряжений, Н·м ;
- прогрессная переменная, локализующая фронт пламени,
;
- предел затухания
- скорость передачи тепла;
- длина контрольного объема в первом слое над поверхностью земли;
С , С , С , С - константы модели турбулентности, как правило, С =1,44, С =1,92, С = 0,8; С =0,09;
С - изобарная теплоёмкость воздуха;
- вектор ускорения свободного падения;
g - компонента вектора ускорения свободного падения;
- гравитационная постоянная;
f - коэффициент, характеризующий турбулизацию от препятствий меньшего размера, чем размер расчетной сетки;
F - сопротивление потока стенкам;
F - сопротивление потока препятствиям, чей размер меньше одной ячейки вычислительной сетки;
h - энтальпия, Дж·кг ;
Н - поток тепла от поверхности земли;
Н - коэффициент теплопередачи;
k - кинетическая турбулентная энергия, м ·с ;
L - масштаб Монина-Обухова, м;
- перемешивание;
М - молярная масса;
m - масса, кг ;
- скорость изменения массы, кг·с ;
р - абсолютное давление, Па;
Р - среднее давление, Па;
Р - член, описывающий диссипацию кинетической турбулентной энергии;
P - член, описывающий генерацию кинетической турбулентной энергии;
Q - теплота, Дж;
- скорость потока тепла, Дж·с
R - газовая постоянная смеси, Дж·кг ·K ;
R - универсальная газовая постоянная, Дж·кг ·K ;
R - скорость реакции топлива, кг·м ·с ;
S - ламинарная скорость пламени, м·с ;
S - турбулентная скорость пламени, м·с ;
S - квазиламинарная скорость пламени, м·с ;
t - время, с;
Т - температура окружающей среды, K;
- вектор скорости;
u - компонент вектора скорости, м/с;
u* - динамическая скорость (скорость сдвига), м/с;
U - характеристическая скорость, м/с;
V - объем, м*;
___________________
* Обозначение соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.
x - линейная координата, м;
Y - массовая доля;
z - высота над землей, м;
z - коэффициент шероховатости, м.
Приложение N 2
к Руководству по безопасности
"Методика оценки последствий аварий на
взрывопожароопасных химических
производствах", утвержденному приказом
Федеральной службы по экологическому,
технологическому и атомному надзору
от 20 апреля 2015 г. N 160
В настоящем Руководстве используются следующие термины с соответствующими определениями:
авария - разрушение сооружений и (или) технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, неконтролируемые взрыв и (или) выброс опасных веществ;
анализ риска аварии - процесс идентификации опасностей и оценки риска аварии на опасном производственном объекте для отдельных лиц или групп людей, имущества или окружающей природной среды;
взрыв - неконтролируемый быстропротекающий процесс выделения энергии, связанный с физическим, химическим или физико-химическим изменением состояния вещества, приводящий к резкому динамическому повышению давления или возникновению ударной волны, сопровождающийся образованием сжатых газов, способных привести к разрушительным последствиям;
обоснование безопасности - документ, содержащий сведения о результатах оценки риска аварии на опасном производственном объекте и связанной с ней угрозы, условия безопасной эксплуатации опасного производственного объекта, требования к эксплуатации, капитальному ремонту, консервации и ликвидации опасного производственного объекта;
опасные вещества - воспламеняющиеся, окисляющие, горючие, взрывчатые, токсичные, высокотоксичные вещества и вещества, представляющие опасность для окружающей природной среды, указанные в приложении 1 к Федеральному закону от 21 июля 1997 г. N 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов".
Приложение N 3
к Руководству по безопасности
"Методика оценки последствий аварий на
взрывопожароопасных химических
производствах", утвержденному приказом
Федеральной службы по экологическому,
технологическому и атомному надзору
от 20 апреля 2015 г. N 160
Пример 1
В результате полного разрушения емкости произошел выброс пропана в газовой фазе. Скорость ветра 4 м/с, температура окружающей среды 20°С, класс устойчивости атмосферы по Паскуиллу - F. На расстоянии 10 м по направлению ветра от емкости находится непроницаемое препятствие высотой 3 м. На рис.3-1 приведены профили распространения облака пропана в различные моменты времени.
Момент времени - 2 сек. |
Момент времени - 4 сек. |
Момент времени - 6 сек. |
Момент времени - 7 сек. |
Момент времени - 10 сек. |
Момент времени - 15 сек. |
Рисунок 3-1. Профили распространения облака пропана по направлению ветра в различные моменты времени (горизонтальная поверхность с препятствием)
Пример 2
В результате полного разрушения емкости произошел выброс пропана в газовой фазе. Скорость ветра 4 м/с, температура окружающей среды 20°С, класс устойчивости атмосферы по Паскуиллу - F. На расстоянии 10 м по направлению ветра от емкости находится наклонная вверх поверхность. На рис.3-2 приведены профили распространения облака пропана в различные моменты времени.
Момент времени - 2 сек. |
Момент времени - 4 сек. |
Момент времени - 6 сек. |
Момент времени - 10 сек. |
Момент времени - 15 сек. |
Момент времени - 21 сек. |
Рисунок 3-2. Профили распространения облака пропана по направлению ветра в различные моменты времени (подъем в горку)
Пример 3
В результате полного разрушения емкости произошел выброс пропана в газовой фазе. Скорость ветра 4 м/с, температура окружающей среды 20°С, класс устойчивости атмосферы по Паскуилу - F. Емкость расположена на возвышенности в 10 м от наклонной вниз поверхности. На рис.3-3 приведены профили распространения облака пропана в различные моменты времени.
Момент времени - 1 сек. |
Момент времени - 3 сек. |
Момент времени - 5 сек. |
Момент времени - 7 сек. |
Момент времени - 12 сек. |
Момент времени - 19 сек. |
Рисунок 3-3. Профили распространения облака пропана по направлению ветра в различные моменты времени (спуск вниз)
Пример 4
В прямоугольном ангаре, заполненном трубами, произошел взрыв ТВС. На расстоянии 10 м и 25 м от ангара расположены квадратные препятствия. На рис.3-4 приведены распределения давления при взрыве облака ТВС. На рис.3-5 приведены распределения продуктов горения при взрыве облака ТВС.
В горизонтальном сечении |
В вертикальном сечении |
Рисунок 3-4. Распределение давления при взрыве облака ТВС
В горизонтальном сечении |
В вертикальном сечении |
Рисунок 3-5. Распределение продуктов горения при взрыве облака ТВС
Пример 5
В загроможденном производственном модуле произошел взрыв ТВС.
Рисунок 3-6. Схема модуля (направление на север соответствует оси Оу)
Параметры модуля: 25,5x20,5x5,5 м
Объем модуля: 2875 м
Площади боковых поверхностей: |
112,75 м (южная/северная стена) |
140,25 м (западная/восточная стена) |
Рисунок 3-7.
Конфигурация стен модуля (вид сверху)
Рисунок 3-8. Моделирование объекта в программном комплексе
На южной и восточной стенах расположены легкосбрасываемые конструкции, которые составляют 62-68% площади соответствующей боковой стены. На южной стороне их площадь составляет 76,75 м, а на восточной 87 м.
Легкосбрасываемые конструкции срабатывают при избыточном давлении 0,05 атм.
Состав смеси: |
Метан 87,44%; |
Этан 6,43%; |
|
Пропан 3,13%; |
|
Бутан 2,57%; |
|
СО 0,01%; |
|
НО 0,01%. |
Загроможденность 1 (неравномерная), загроможденность 2 (равномерная);
Координаты места воспламенения 1: (6; 5,5; 3); 2: (12, 10, 3); 3: (20; 15; 3).
Таблица N 3-1
Сценарии моделирования
N |
Загроможденность |
Угол раскрытия панели, % (или площадь панели) |
Координата места воспламенения |
211001 |
1 |
100 |
1 |
211002 |
1 |
100 |
2 |
211003 |
1 |
100 |
3 |
210701 |
1 |
70 |
1 |
210702 |
1 |
70 |
2 |
210703 |
1 |
70 |
3 |
221001 |
2 |
100 |
1 |
221002 |
2 |
100 |
2 |
221003 |
2 |
100 |
3 |
220701 |
2 |
70 |
1 |
220702 |
2 |
70 |
2 |
220709 |
2 |
70 |
3 |
Таблица N 3-2
Значение избыточного давления Pmax при различных сценариях моделирования
Место воспламенения |
Значение избыточного давления Pmax, бар. |
||
Угол раскрытия ЛСК (или площадь панели) |
|||
100% |
70% |
||
1 |
1 |
10 |
13 |
2 |
4,7 |
6 |
|
3 |
12 |
13 |
|
2 |
1 |
8 |
10 |
2 |
3,9 |
4,6 |
|
3 |
12 |
13 |
Рисунок 3-9.
Распределение давления при взрыве облака ТВС при различных сценариях моделирования