事故后果模拟分析

12.2事故后果模拟分析法火灾、爆炸、中毒是常见的重大事故，经常造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失，影响社会安定。这里重点介绍有关火灾、爆炸和中毒事故（热辐射、爆炸波、中毒）后果分析，在分析过程中运用了数学模型。通常一个复杂的问题或现象用数学模型来描述，往往是在一个系列的假设的前提下按理想的情况建立的，有递增模型经过小型试验的验证，有的则可能与实际情况有较大出入，但对辨识危险性来说是可参考的。2.2.1泄漏由于设备损坏或操作失误引起泄漏，大量易燃、易爆、有毒有害物质的释放，将会导致火灾、爆炸、中毒等重大事故发生，因此，后果分析由泄漏分析开始。2.2.1.1泄漏情况分析2.1.1.1.1泄漏的主要设备根据各种设备泄漏情况分析，可将工厂(特别是化工厂)中易发生泄漏的设备归纳为以下10类：管道、挠性连接器、过滤器、阀门、压力容器或反应器、泵、压缩机、储罐、加压或冷冻气体容器，火炬燃烧装置或放散管等。⑴管道。它包括管道、法兰和接头，其典型情况和裂口尺寸分别取管径的20%～100%、20%和20%～100%。⑵挠性连接器。它包括软管、波纹管和铰接器，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①连接器本体破裂泄漏，裂口尺寸取管径的20%～100%；②接头处的泄漏，裂口尺寸取管径的20%；③连接装置损坏泄漏，裂口尺寸取管径的100%。⑶过滤器。它由过滤器本体、管道、滤网等组成，其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20%～100%和20%。⑷阀。其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①阀壳体泄漏，裂口尺寸取管径的20%～100%；2②阀盖泄漏，裂口尺寸取管径的20%；③阀杆损坏泄漏，裂口尺寸取管径的20%。⑸压力容器或反应器。包括化工生产中常用的分离器、气体洗涤器、反应釜、热交换器、各种罐和容器等。其常见的此类泄漏情况和裂口尺寸为：①容器破裂而泄漏，裂口尺寸取容器本身尺寸；②容器本体泄漏，裂口尺寸取与其连接的粗管道管径的100%；③孔盖泄漏，裂口尺寸取管径的20%；④喷嘴断裂而泄漏，裂口尺寸取管径的100%；⑤仪表管路破裂泄漏，裂口尺寸取管径的20%～100%；⑥容器内部爆炸，全部破裂。⑹泵。其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①泵体损坏泄漏，裂口尺寸取与其连接管径的20%～100%；②密封压盖处泄漏，裂口尺寸取管径的20%；⑺压缩机。包括离心式、轴流式和往复式压缩机，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①压缩机机壳损坏而泄漏，裂口尺寸取与其连接管道管径的20%～100%；②压缩机密封套泄漏，裂口尺寸取管径的20%。⑻储罐。露天储存危险物质的容器或压力容器，也包括与其连接的管道和辅助设备，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①罐体损坏而泄漏，裂口尺寸为本体尺寸；②接头泄漏，裂口尺寸为与其连接管道管径的20%～100%；③辅助设备泄漏，酌情确定裂口尺寸。⑼加压或冷冻气体容器。包括露天或埋地放置的储存器、压力容器或运输槽车等，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①露天容器内部气体爆炸使容器完全破裂，裂口尺寸取本体尺寸；②容器破裂而泄漏，裂口尺寸取本体尺寸；③焊接点（接管）断裂泄漏，取管径的20%～100%。3⑽火炬燃烧器或放散管。它们包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗涤器和分离罐等，泄漏主要发生在筒体和多通接头部位，裂口尺寸取管径的20%～100%。表2-1典型泄漏情况和裂口尺寸取值表序号设备典型泄漏情况裂口尺寸取值1管道包括管道、法兰和接头管道泄漏管径的20%～100%法兰泄漏管径的20%接头泄漏管径的20%～100%2绕性连接器包括软管、波纹管和铰接器连接器本体破裂泄漏管径的20%～100%接头处的泄漏管径的20%连接装置损坏泄漏管径的100%3过滤器由过滤器本体、管道、滤网等组成本体泄漏管径的20%～100%管道泄漏管径的20%～100%滤网泄漏管径的20%4阀阀壳体泄漏管径的20%～100%阀盖泄漏管径的20%阀杆损坏泄漏管径的20%5压力容器或反应器包括化工生产中常用的分离器、气体洗涤器、反应釜、热交换器、各种罐和容器等容器破裂而泄漏容器本身尺寸容器本体泄漏与其连接的粗管道管径的100%孔盖泄漏管径的20%喷嘴断裂而泄漏管径的100%仪表管路破裂泄漏管径的20%～100%容器内部爆炸全部破裂6泵泵体损坏泄漏与其连接管径的20%～100%密封压盖处泄漏管径的20%7压缩机包括离心式、轴流式和往复式压缩机压缩机机壳损坏泄漏与其连接管径的20%～100%压缩机密封套泄漏管径的20%8储罐露天储存危险物质的容器或压力容器罐体损坏而泄漏裂口尺寸为本体尺寸接头泄漏与其连接管道管径的20%～100%4辅助设备泄漏酌情确定裂口尺寸9加压或冷冻气体容器包括露天或埋地放置的储存器、压力容器或运输槽车等露天容器内部气体爆炸使容器完全破裂本体尺寸容器破裂而泄漏本体尺寸焊接点（接管）断裂泄漏管径的20%～100%10火炬燃烧器或放散管包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗涤器和分离罐等筒体和多通接头部位泄漏管径的20%～100%2.1.1.1.2造成泄漏的原因从人－机系统来考虑造成各种泄漏事故的原因主要有四类：⑴设计失误①基础设计错误，如地基下沉，造成容器底部产生裂缝，或设备变形、错位等；②选材不当，如强度不够、耐腐蚀性差、规格不符等；③布置不合理，如压缩机和输出管道没有弹性连接，因振动而使管道破裂；④选用机械不合适，如转速过高，耐温、耐压性能差等；⑤选用计测仪器不合适；⑥储罐、储槽未加液位计，反应器（炉）未加溢流管或放散管等。⑵设备原因①加工不符合要求，或未经检验擅自采用代用材料；②加工质量差，特别是不具有操作证的焊工焊接质量差；③施工和安装精度不高，如泵和电动机不同轴，机械设备不平衡，管道连接不严密等；④选用的标准定型产品质量不合格；⑤对安装的设备未按《机械设备安装工程及验收规范》进行验收；⑥设备长期使用后未按规定检修期进行检修，或检修质量差造成泄漏；⑦计测仪表未定期校验，造成计量不准；5⑧阀门损坏或开关泄漏，又未及时更换；⑨设备附件质量差，或长期使用后材料变质、腐蚀或破裂等。⑶管理原因①没有制定完善的安全操作规程；②对安全漠不关心，已发现问题不及时解决；③没有严格执行监督检查制度；④指挥错误，甚至违章指挥；⑤让未经培训的工人上岗，知识不足，不能判断错误；⑥检修制度不严，没有及时检修已出现故障的设备，使设备带病运转。⑷人为失误①误操作，违反操作规程；②判断失误，如记错阀门位置或开错阀门；③擅自离岗；④思想不集中；⑤发现异常现象不知如何处理；2.1.1.1.3泄漏后果泄漏一旦出现，其后果不单与物质的数量、易燃性、毒性有关，而且与泄漏物质的相态、压力、温度等状态有关。这些状态可有多种不同的结合，在后果分析中，常见的可能结合有4种：①常压液体；②加压液化气体；③低温液化气体；④加压气体。泄漏物质的物性不同，其泄漏后果也不同。⑴可燃气体泄漏可燃气体泄漏后与空气混合达到爆炸极限时，遇到引火源就会发生燃烧或爆炸。泄漏后起火的时间不同，泄漏后果也不相同。①立即起火。可燃气体从容器中往外泄出时即被点燃，发生扩散燃烧，6产生喷射性火焰或形成火球，它能迅速地危及泄漏现场，但很少会影响到厂区的外部。②泄后起火。可燃气体泄出后与空气混合形成可燃蒸气云团，并随风飘移，遇火源发生爆炸或爆轰，能引起较大范围的破坏。⑵有毒气体泄漏有毒气体泄漏形成云团在空气中扩散，有毒气体的浓密云团将笼罩很大的空间，影响范围大。⑶液体泄漏一般情况下，泄漏的液体在空气中蒸发而生成气体，泄漏后果与液体的性质和储存条件（温度、压力）有关。①常温常压下液体泄漏。这种液体泄漏后聚集在防液堤内或地势低洼处形成液池，液体由于持表面风的对流而缓慢蒸发，若遇引火源就会发生池火灾。②加压液化气体泄漏。一些液体泄漏时将瞬间蒸发，剩下的液体将形成一个液池，吸收周围的热量继续蒸发。液体瞬时蒸发的比例决定于物质的性质及环境温度。有些泄漏物可能在泄漏过程中全部蒸发。③低温液体泄漏。这种液体泄漏时将形成液池，吸收周围热量蒸发，蒸发量低于加压液化气体的泄漏量，高于常温常压下液体的泄漏量。无论是气体泄漏还是液体泄漏，泄漏量的多少都是决定后果严重程度的主要因素，而泄漏量又与泄漏时间长短有关。2.2.1.2泄漏量的计算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，可采取等效尺寸代替；当遇到泄漏过程中压力变化等情况时，往往采用经验公式计算。(1)液体泄漏计算液体泄漏速度可用流体力学的伯努利方程计算，其泄漏速度为：7gh2ρpp2AρCQ0d0＝Q0=CdAρ(2[p+P0]/ρ+2gh)1/2（1）式中Q0——液体泄漏速度，kg/s；Cd——液体泄漏系数，按表2-1选取；A——裂口面积，m2；ρ——泄漏液体密度，㎏∕m3；p——容器内介质压力，Pa；p0——环境压力，Pa；g——重力加速度，9.8m∕s2；h——裂口之上液位高度，m；表2-2液体泄漏系数Cd雷诺数（Re）裂口形状圆形（多边形）三角形长方形＞1000.650.600.55≤1000.500.450.40对于常压下的液体泄漏速度，取决于裂口之上液位的高低；对于非常压下的液体泄漏速度，主要取决于容器内介质与环境压力之差和液位高低。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，而容器内剩下液体的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：F=Cp(T-T0)/H（2）式中Cp——液体的定压比热，J∕kg·K；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；按式（2）计算的结果，几乎总是在0～1之间。事实上，泄漏时直接蒸8发的液体将以细小烟雾的形式形成云团，与空气相混合而吸收蒸发。如果空气传给液体烟雾的热量不足以使其蒸发，有一些液体烟雾将凝结成液滴降落到地面，形成液池。根据经验，当F＞0.2时，一般不会形成液池；当F＜0.2时，F与带走液体之比有线性关系，即当F＝0时没有液体带走（蒸发），当F＝0.1时有50%的液体被带走。(2)气体泄漏量计算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。当式（3）成立时，气体流动属音速流动：p0/p≤[2/(k+1）]k/(k-1)（3）当式（4）成立时，气体流动属亚音速流动：p0/p≥[2/(k+1）]k/(k-1)（4）式中p0、p——符号意义同前；k——气体的绝热指数，即定压比热Cp与定容比热Cv之比。气体呈音速流动时，其泄漏量为：Q0＝CdAρ[（Mk/RT）×（2/(k+1)）k+1/(k-1)]1/2(5)气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：Q0＝YCdAρ[（Mk/RT）×（2/(k+1)）k+1/(k-1)]1/2(6）上两式中Cd——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：Y＝{（1/(k－1）)（(k+1)/2）k+1/k-1（p0/p）2/k[1-（p0/p）(k-1)/k]}1/2（7）M——分子量；ρ——气体密度，kg/m3；R——气体常数，J/mol•K；T——气体温度，K。当容器内物质随泄漏而减少或压力降低而影响泄漏速度时，泄漏速度的9计算比复杂。如果流速小或时间短，在后果计算中可采用最初排放速度，否则应计算等效泄漏速度。(3)两相流动泄漏量计算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：Q0＝CdA[2ρ(p-pc)]1/2（8）式中Q0——两相流动混合物泄漏速度，kg/s；Cd——两相流动混合物泄漏系数，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；ρ——两相混合物的平均密度，kg/m3，它由下式计算：ρ＝1/（Fv/ρ1+(1-