содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..

8.9.

ОГНЕВЫЕ ШАРЫ И ИХ ОПАСНОСТЬ

8.9.1. ПРИРОДА ОГНЕВЫХ ШАРОВ

В июне 1977г. на конференции Еврохим'а, проходившей под названием "Химическая технология во враждующем мире", в обстановке, когда опасность, создаваемая огневыми шарами, в Великобритании практически не нашла общего признания, автор этой книги сказал: "То, что пожар может распространяться от одной площадки к другой, давно осознано, и пожарные управления разработали на основе происшедших аварий концепцию "безопасных расстояний". Может показаться, что этой фразой исчерпана вся тема, но, к сожалению, это далеко не так. Существует третья возможность в отношении облака пара - возможность зажигания и горения без взрыва. Некоторые исследователи предложили считать, что зажигание, приводящее к горению (дефлаграции), обязательно меньшее из двух зол, но это положение отнюдь нельзя считать абсолютной истиной.

Облако пара, смешанное с воздухом, но переобогащенное топливом и не способное поэтому объемно детонировать, начинает гореть вокруг своей внешней оболочки и вытягивается, образуя огневой шар. Такие огневые шары крайне опасны. Если они вызваны горением углеводородов, то светятся и излучают тепло, что может причинить смертельные ожоги наблюдателям и зажечь дерево или бумагу. Поднимаясь, огневой шар образует грибовидное облако, ножка которого -это сильное восходящее конвективное течение. Такое течение может всасывать отдельные предметы, зажигать их и разбрасывать горящие предметы на большие площади.

Делаются попытки предсказать размер и время сушествования такого огневого шара. Формулы, принадлежащие NASA, преобразованы автором к следующему виду:

где D - диаметр огневого шара, м; М - масса углеводородов предполагаемой формулы СnН2n, т; и

где Т - время существования огневого шара, с.

Важна не только энергия выброса, но и скорость, с которой происходит выброс, т. е. его мощность. Если энергия выброса - линейная функция М, а время, в течение которого происходил выброс, - функция М1/3, то

где Р - мощность, выделяющаяся при сгорании огневого шара. В случае, характерном для аварий промышленных предприятий, имеем

Такое явление, как огневой шар, полностью выходит за рамки обычных пожаров и способно распространять поражающее действие далеко за обычные безопасные расстояния [Marshall,1977b]. Немногим более года спустя после указанной публикации произошла авария 11 июля 1978г. в Сан-Карлосе (Испания). Образовавшийся у приморского кемпинга огневой шар привел к гибели 215 чел., что превысило число погибших в самой крупной (до катастрофы в Сан-Карлосе) по количеству жертв аварии 28 июля 1948 г. в Людвигсхафене (Германия), где погибло 207 чел.

В отчете [АСМНД979] приводится цитата автора [Marshall,1977b], в которой он призывает продолжить изучение этого явления.

8.9.2. ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ

Обзор литературы по изучению феномена огневого шара выполнен в работе [Moorhouse,1982a].

По-видимому, начало изучения огневых шаров было положено в работе Хая [High,1968], где исследовались огневые шары, возникающие от выброса ракетного топлива, причем диаметр огневого шара и его время существования связывались с выброшенной массой ракетного топлива. Хай проводил работы по прогнозированию характеристик огневых шаров, которые могли возникнуть от ракеты "Сатурн V", предназначенной для полетов на Луну, в ходе ее разработки. Эта ракета при необходимости разгрузки способна выбросить такое количество топлива, которое более чем на порядок величины превысило бы массу топлива, применявшуюся в ранее проведенных испытаниях. Следовательно, нужно было найти корреляцию для таких свойств, как радиус огневого шара и тепловой импульс. Эта работа не ставила целью предсказание характеристик огневых шаров, возникающих при выбросе воспламеняющихся газов в воздух. До 1968 г. таких событий было зарегистрированно мало; можно отметить, что все инциденты, приведенные в табл. 8.6, для которых имеется достаточно данных, чтобы провести их корреляцию, произошли после написания работы [High, 1968].

Формулы, полученные Хаем, были использованы в статье [Brasie,1976] для вычисления безопасных расстояний на химическом заводе. При этом масса ракетного топлива по Хаю неправильно приравнивалась к массе воспламеняющегося пара.

В работе [Hasegawa,1978] рассматриваются условия, определяющие, что будет преобладать после зажигания данного выброса: пожар разлития или огневой шар. Изучены обстоятельства возникновения огневого шара и его действие [Roberts,1982]. Исследования по этим вопросам развиты далее в [Roberts, 1982а]. Кроули [Crawley,1982] рассматривает огневые шары в контексте общих эффектов зажигания при разлитии топлива. Данные, полученные из лабораторных исследований огневых шаров, представлены в работе [Lihou,1982]. В некоторых работах приводятся "отрицательные" доказательства в том смысле, что исследования с СПГ и охлажденным пропаном не привели к возникновению огневых шаров [Blackmore,1982a; Mizner.1982].

8.9.3. УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОГНЕВЫХ ШАРОВ

8.9.3.1. ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ НАКОПЛЕННОГО ОПЫТА С РАКЕТНЫМИ ТОПЛИВАМИ

Для того чтобы оценить применимость модели, разработанной для описания огневых шаров из ракетного топлива, к огневым шарам из углеводородов, рассмотрим изучаемый в статье [High, 1968] феномен огневого шара.

В действительности существует большое различие между этими двумя ситуациями. Ракетное топливо для маршевых двигателей современных ракет представляет собой смесь окислителя, жидкого кислорода и восстановителя, например керосина. При сгорании этой смеси в двигателе достигается температура около 3400°С [Shreve,1977]. Выбор топлива определяется рядом факторов, из которых, вероятно, наиболее важным является максимизация удельного импульса, выражаемого в "секундах" (отношение реактивной силы (фунт) к массе сгоревшего за 1 с топлива). Удельный импульс определяется главным образом отношением /Т/М (где Т - абсолютная температура и М - средняя молекулярная масса отработанного газа). Это означает, что чем меньше молекулярная масса в выхлопе, тем больше тяга. Так как водород имеет наименьшую молекулярную массу, выгодно использовать смеси, в которых кислорода содержится меньше, чем в стехиометрической смеси, чтобы получать в выхлопе свободный водород. На практике, грубо говоря, 02 эквивалентен углероду в топливе. Таким образом, ракетное топливо, состоящее из СnИ2n и кислорода, будет иметь соотношение углеводород: кислород, равное 0,3 : 0,7.

ТАБЛИЦА 8.6. Некоторые случаи аварий, в ходе

которых имело место образование огневых шаров

Оно почти точно равно отношению, приводимому в работе [Chambers,1973], в которой цитируются публикации компании North American Aviation Inc. В статьях, где применительно к уравнениям, данным в [High,1968], масса топлива приравнивается к массе ракетного топлива(см., например, [Brasie,1976]), недооценивается диаметр огневого шара.

Однако есть и другие факторы. Как было сказано выше, температура в двигателе для смеси "жидкий кислород - керосин" составляет около 3400°С. Теоретическая же температура пламени для углеводородов в воздухе лежит в пределах 1900 - 1950 °С. К тому же ракетное топливо - это жидкий реагент, и можно предполагать, что реакция будет протекать намного быстрее, чем при смешении паров углеводородов с воздухом.

Учитывая все эти факторы, по-видимому, можно сказать, что применять полученные для ракетных топлив данные к смесям углеводородов с воздухом надо с большой осторожностью.

8.9.3.2. ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ УСЛОВИЯ

В докладе [Hasegawa,1978] говорится, что сжиженные воспламеняющиеся газы, для которых доля выброса в паровой фазе составляет 0,35 и выше, способны образовывать огневые шары и не могут вызывать пожаров разлитии.

Этот подход согласуется с подходом воображаемой "части разделения" (табл. 8.4, рис. 8.3).

Предлагаемое в цитируемой работе значение для доли выброса в паровой фазе, равное 0,35, не может быть точным, так как существенную роль должны играть обстоятельства разрушения, т. е. важно, произошло полное разрушение или нет. Когда отверстие находится выше уровня жидкости, полученные результаты могут быть совсем иными, чем в случае, когда отверстие находится у основания сосуда.

8.9.3.3. ГЕОМЕТРИЯ ОГНЕВЫХ ШАРОВ

В работе [High,1968] характер процесса образования огневого шара из ракетного топлива описывается следующим образом: "В огневых шарах, связанных со взрывами ракетного топлива, по мере того как давление продуктов детонации уменьшается до атмосферного давления, плотность газа становится значительно меньше плотности окружающего воздуха, и поэтому результирующая выталкивающая сила заставляет газ подниматься. При этом вся масса ракетного топлива вовлекается в огневой шар и быстро сгорает. Полусферическая форма огневого образования сохраняется до тех пор, пока сила плавучести невелика. Однако после того, как сфера окончательно сформировалась, огневой шар отрывается от земли. Воздух, вовлекаемый в огневой шар, посредством конвективных сил и вихревого движения непрерывно добавляется в него и увеличивает массу горящего образования. При разлитом на земле ракетном топливе формируется ножка, соединяющая огневой шар и разлитие, при этом все огневое образование принимает характерную грибовидную форму (такую же, как и огневой шар ядерного взрыва). Этот горячий огневой шар продолжает изменяться и превращается в сплющенный сфероид и в конечном итоге - в тороид. Горение богатой топливом смеси газа и вовлеченного воздуха продолжается до тех пор, пока не образуется стехиометрическая смесь, после чего вовлеченный воздух разбавляет и охлаждает газы. Радиационные потери также вносят вклад в процесс быстрого охлаждения. В динамике огневой шар можно представить как сферическое "тепловое" образование, состоящее из горячих газов в верхней части огневого шара и вовлеченного воздуха - в нижней части. Развитие и рост этого "теплового" образования регулируются тепловым излучением, добавлением и горением ракетного топлива и вовлечением воздуха."

В статье предполагается, что обстановка, окружающая разлитие, известна, и относительно нее делаются небольшие комментарии. Упоминаются "взрывы ракетного топлива", "аварии ракет" и "номинальные условия выброса".

По-видимому, будет разумным предположить, что упомянутые в [High, 1968] обстоятельства вынуждают крайне быстро производить разгрузку топлива, за которой следует зажигание на земле. Эта разгрузка низкотемпературной смеси топлива с окислителем для ракеты "Сатурн V" в статье определяется в количестве 2495 т при скорости 317 т/с. Как утверждается в [USIS.1968], ракета "Сатурн V" после запуска расходовала на первой фазе движения 2375 т ракетного топлива со скоростью выгорания 18,26 т/с (3,65 т/с на двигатель). Можно предположить, что ракетное топливо сбрасывается в жидком виде через двигатели намного быстрее, чем могут быть выброшены его продукты сгорания в виде струй. Отсюда и расхождение между скоростью разгрузки и скоростью выгорания.

Предлагается на основе выводов автора книги о частичном разделении принять мнение, выраженное в работе [Hasegawa,1978] и подтверждаемое накопленными сведениями об огневых шарах, согласно которому огневые шары могут возникать в химической и нефтеперерабатывающей промышленности только в результате полного разрушения резервуаров, содержащих сжиженные воспламеняющиеся газы, такие, как СНГ, пропан, пропилен или мономерный винилхлорид. В соответствии с этим мнением образованию огневых шаров будут предшествовать образование и рассеяние парового облака, возникающего при разрушении сосуда. По существу, огневой шар зарождается в момент контакта парового облака с источником зажигания.

Здесь необходимо еще раз сказать о членах в уравнении эволюции облака, описывающих интенсивность источника вещества, которые зависят от вида разгерметизации. Можно выделить два крайних случая: а) образование трещины, вызывающей утечку углеводородов в сильно направленной форме, б) полное разрушение сосуда, при котором он распадается на части. В первой ситуации, особенно когда внезапно появившаяся струя бьет параллельно земле, образуется удлиненное облако, во второй- более симметричное облако, по форме приближающееся к сплющенному полусфероиду. В обоих случаях, как уже отмечалось ранее и подтверждено результатами многих исследований, гравитационное опускание происходит быстро. Этот процесс настолько быстрый, что предположение о полусферической форме огневого шара в начальный момент, сделанное в работе [Roberts, 1982а], очень сомнительно. Однако другое предположение, высказанное в этой работе, о том, что начальный огневой шар не сферической формы, по-видимому, бесспорно.

Эти вопросы подробно обсуждаются в следующей главе при описаниях двух случаев аварии. Одна из них - это авария 4 января 1966 г. в Фейзене (Франция), где была направленная струя, другая- ранее отмечавшаяся авария в 11 июля 1978 г. в Сан-Карлосе (Испания), в которой облако пара, скорее всего, имело меньшую направленность.

Приближенную оценку теоретического радиуса огневого шара сферической формы можно получить сравнительно легко. Предполагая стехиометричность состава, радиус R можно получить из уравнения следующего вида:

где М - масса огневого шара, К - константа.

Значение К для парафинов и олефинов отличается ненамного. Для водорода же оно существенно другое. Ниже вместо диаметра D будет использован радиус R. Это связано с тем, что, оперируя радиусом, удобно измерять расстояния от центра разлития до того места, где отмечается тот или иной эффект. В качестве единицы массы выбрана тонна, поскольку при рассмотрении основных химических опасностей важны количества веществ, превышающие тонну.

Константу К можно оценить, вычислив сначала объем облака стехиометрического состава, содержащего Мт вещества, а затем по известному закону Шарля - объем сгоревшего облака. В действительности есть небольшое различие между вычисленным объемом и объемом первоначального негорящего облака, умноженным на коэффициент, взятый из закона Шарля. Если предположить, что в облаке достигается температура, равная теоретической температуре пламени, то коэффициент расширения, полученный из закона Шарля, будет соответствовать отношению 8:1. А это означает удвоение радиуса. Для определения радиуса сферического огневого шара предлагается [Marshall,1977b] следующая формула:

В работе [Roberts, 1982a] дается другая формула:

модифицированная автором настоящей книги для случая, когда М измеряется в тоннах. Эти выражения не решают вопроса о радиусе парового облака малой высоты. Например, если облако в момент зажигания имеет размеры R (радиус) и Н (высота), причем R≥H, то будет ли горящее облако иметь размеры около 2R и 2Н? По-видимому, вряд ли, и, конечно же, фотографии с воздуха зажженных облаков, сделанные при исследованиях на Мэплинских отмелях, не подтверждают этого. Более вероятно то, что расширение происходит главным образом в вертикальном направлении, как это бывает при пожаре разлития.

В цитируемой работе, привлекается внимание к эффектам расширения первоначально незажженного облака, следуюшим непосредственно за повреждением сосуда. Этот вопрос будет обсуждаться ниже, в описании аварии 11 июля 1978г. в Сан-Карлосе (Испания). В табл. 8.7 приводятся относительные радиусы и объемы для пропана, хранящегося при абсолютном давлении, равном 1МПа.

Таким образом, эффекты начального парового расширения ощущаются лишь вблизи. Однако концепция начального облака чистого пара несколько искусственна.

Попытка скоррелировать диаметр реальных огневых шаров от ракетного топлива с диаметром огневых шаров, отмечавшихся при авариях, предпринята в [High,1968]. Хай приходит к следующему уравнению, полученному по методу наименьших квадратов:

где D - максимальный диаметр, фут; Wp - масса ракетного топлива, фунт. После преобразования в единицы СИ (метры и тонны), выполненного автором этой настоящей книги, это уравнение принимает следующий вид :

R = 17,6 ∙ (Wp)0.320

Рис. 8.5. Зависимость радиуса огневого шара от массы топлива.

ТАБЛИЦА 8.7. Коэффициенты расширения для выброса пропана

а Предполагается, что вся увлеченная жидкость испаряется.

б Под облаком понимается облако стехиометрического состава.

Преобразование соотношения (1) к топливу, иному, чем ракетное, трудно осуществить, так как корреляция основана на четырех комбинациях топливо - окислитель. Однако большинство данных относится к смеси керосина RP1 с жидким кислородом, и корреляция, по-видимому, адекватна только для этих типов веществ. Отношение 2,24: 1 смеси жидкий кислород - углеводород, как отмечалось ранее, можно далее использовать для преобразования соотношения (1) к следующему виду:

R = 27,5∙М 1/3 (2)

Это преобразование было выполнено автором в работе [Marshall,1977b]. Надо отметить, что соотношение (2) не является теоретическим приближением, как, например, уравнение из работы [Roberts, 1982а].

Табл. 8.6 и рис. 8.5 основаны на данных Целого ряда разлитии, включая разлития пропана, бутана, СНГ и мономерного винилхлорида (последний имеет давление паров, лежащее в диапазоне СНГ). Все эти разлития образовались в результате аварий на транспорте в США (за одним исключением). Авария 4 августа 1978 г. в Доннелсоне (шт. Айова, США) произошла на трубопроводе. То, что в этот список не попали аварии, случившиеся на стационарных установках, ничего не означает: большинство транспортных аварий в США расследуются Национальным советом по безопасности на транспорте (NTSB), данные которого являются основным источником информации, тогда как для стационарных установок подобных четких и однозначных требований к процедуре расследования случая аварии нет. Регрессионный анализ приведенных в табл. 8.6 данных 11 аварий дает:

R = 27,5 ∙ М0.375

Это соотношение достаточно хорошо согласуется с соотношениями, приведенными в работах [Marshall,1977b] и [Roberts,1982a], что подтверждает рис. 8.5. На этом рисунке отражены также расчеты, выполненные в работах [Hardee,1977;Hasegawa.1978]. В целом, по-видимому, различные соотношения между радиусом и массой неплохо согласуются друг с другом; значительно хуже стыкуются теория и реальные данные. Реальные радиусы огневых шаров, которые больше, чем предсказывает теория, возможно, получаются либо из-за субъективности сообщения, либо из-за того, что форма огневых шаров, находящихся близко к поверхности земли, заметно отлична от сферической.

Вычисление радиусов огневых шаров само по себе не определяет безопасные расстояния от установок. Это связано со следующими обстоятельствами.

1) Из-за действия теплового излучения поражение той или иной степени тяжести или смерть могут произойти далеко за пределами вычисленного радиуса. Этот аспект будет обсуждаться ниже.

2) Как случается со всеми паровыми облаками, ветер может вызвать дрейф воспламеняющегося облака, и чем больше будет задержка зажигания, тем больше будет смещение облака от точки выброса.

8.9.3.4. ВРЕМЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ОГНЕВОГО ШАРА

Развитие огневого шара во времени включает четыре основные стадии, начиная от момента начала потери герметичности Т0д:

В работе [High.1968] приводится соотношение для вычисления промежутка времени Тrci= Тrc - Тi, которое преобразовано нами [Marshall,1977b] в метрические единицы следующим образом :

Тrci = 2,72 ∙ (Мр) 0.32; Тrci = 3,96-(Мf) 0,32; Тrci = 3,8-(Mf)1/3

где Тrci - время существования огневого шара, с; Мр - масса ракетного топлива, т;

Мf - масса углеводородного топлива, т.

В работе [Roberts,1982a] для пропана предлагается следующее соотношение (использованы обозначения автора):

Тio = 35 ∙ (Мf)1/3/α

где Тio - время достижения предела воспламеняемости, с; Мf - масса топлива, кг;

α - импульс выброса на единицу массы, м/с. Для α принимается значение 220 м/с. (Можно отметить, что это соотношение не является безразмерным, и, следовательно, 35 - не безразмерный коэффициент.)

Для пропана это соотношение может быть записано как Тio = 1,6-М1/3F

где МF - масса топлива, т. В работе [Roberts, 1982а] приводятся следующие уравнения:

Тjoi = Тjo - Тi =3,16 ∙ (МF)1/6

Тrcjo = Тrc - Тjo = 4,5 ∙ (МF)1/3

где МF выражена в тоннах.

Масса огневого шара, при которой Тrco = Тrc – Т0 (полное время существования огневого шара) превышает Tlo, соответствует 0,12 т. Это следует из того, что для выбросов массой меньше 0,12 т вытягивание огневого шара для пропана не наблюдается. Такое явление, по нашему мнению, существенно только для выбросов порядка нескольких тонн. Таким образом, приводимый в цитируемой работе интервал Тrco в 1,2 раза превышает значение, предложенное Хаем [High,1968], с учетом преобразования, выполненного путем замены Мр на МF [Marshall, 1977Ь]. Разумно предположить, что пожары ракетного топлива будут более интенсивными, чем пожары смесей углеводородов с воздухом.

Анализ работ различных исследователей показал, что в данной области существуют широкие расхождения. Их причины кратко рассматриваются в работе [Moorhouse.1982], в которой отмечается, что корреляции распадаются на два класса. Для первого класса (маломасштабные опыты)

Т = Trc - То ≈ М1/6

Для другого класса (эксперименты с ракетным топливом)

Т = Тrc - То ≈ М1/3

Первый класс полностью основан на маломасштабных опытах, для которых Тlo- T0 много больше, чем Trc - То, и, таким образом, они попадают в область зависимости вида Т ≈ М1/6, По-видимому, экстраполяция этих корреляций на область масс порядка тонн необоснованна. Авторы работы [Lihou.1982], сообщая об одной из последних экспериментальных работ по изучению огневых шаров, также высказывают мнение, что зависимость Т от М не может иметь вида Т = А ∙ Ма, где А, а - константы, и быть справедливой в диапазоне 1-106 кг.

содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..