魯昱昊
(華東冶金地質(zhì)勘查局八一一地質(zhì)隊,安徽 滁州 239000)
事故后果模擬分析是安全系統(tǒng)工程的一個重要組成部分,該方法可以定量地描述出一個可能發(fā)生的事故對周圍設(shè)施、人員和對環(huán)境造成危害的嚴(yán)重程度。分析結(jié)果為管理者或主管部門提供關(guān)于事故后果的信息,為決策者和設(shè)計者提供采取何種防護(hù)措施的參考,如自動滅火系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)或機(jī)械安全連鎖系統(tǒng)等的信息,以達(dá)到減少和避免事故影響的目的。該方法適用于火災(zāi)、爆炸、有毒有害物質(zhì)泄漏等重大事故的事故危害程度的評價,是將一個復(fù)雜的問題或事故現(xiàn)場用數(shù)學(xué)的模型來描述。事故后果模擬分析的數(shù)學(xué)模型往往是在一系列的假設(shè)前提下按照理想的情況建立的,有部分容易模擬的模型經(jīng)過試驗(yàn)的驗(yàn)證,有的則可能與實(shí)際情況有較多出入,但是對事故后果評價來說是可以參考的。
10m3空氣儲氣罐超壓發(fā)生物理爆炸為模型進(jìn)行事故模擬分析過程,模擬分析如下:
(1)壓縮氣體爆破能量值計算公式為:
式中:Eg為氣體爆破能量,kJ;Cg為壓縮氣體爆破能量系數(shù),kJ/m3,介質(zhì)為空氣,表壓為0.85MPa。查表得:Cg=1.2×103kJ/m3;V 為儲氣罐容積,m3。
(2)換算成TNT 當(dāng)量為:1kg TNT 爆炸所發(fā)出的爆炸能量為4230 ~4836kJ,取其平均值4500kJ/kg 計算。
q=Eg/4500=1.2×104/4500=2.66kg(TNT)
(3)爆炸模擬比為a:a=0.1×2.661/3=0.14
(4)求出在1000kgTNT 爆炸試驗(yàn)中相當(dāng)距離Ro的相應(yīng)值:Ro=R/a=R/0.14
用單位球面襯托鏡面的變化,從某種層度上講是受向量方法的影響,也就是將向量的模特殊化,這類似于三角函數(shù)中借助單位圓思考問題.對于不熟悉空間向量的學(xué)生來說,也許會有一定的難度.在立體幾何初步教學(xué)中,長方體或直棱柱等幾何體是學(xué)生較為熟悉的空間模型,在這樣的幾何體中研究問題,學(xué)生往往更能找到“空間感覺”.因此,我們也可以嘗試用學(xué)生熟悉的模型來研究問題.
1000kg TNT 在空氣中爆炸試驗(yàn)中所產(chǎn)生的沖擊波距離Ro/m 值計算結(jié)果見表1,沖擊波傷害見表2、3。依據(jù)表2 和表3,計算儲氣罐超壓物理爆炸的傷害距離:1000kg 的TNT,可致人輕微損傷的標(biāo)準(zhǔn)距離為R0=55m,最小沖擊波超壓△P0=0.02MPa,則:
儲氣罐超壓爆炸致人輕、微傷的距離:
R=aR0=0.14×55=7.7m
1000kg 的TNT,可致人聽覺器官損傷或骨折的標(biāo)準(zhǔn)距離為R0=42.5m,最小沖擊波超壓△P0=0.03MPa,則:
儲氣罐超壓爆炸致人重傷的實(shí)際距離:
表1 1000kg TNT 爆炸時的沖擊波超壓數(shù)值
表2 沖擊波對人體的傷害作用
表3 沖擊波對建筑物的破壞作用
R=aR0=0.14×42.5=5.95m
1000kg 的TNT,可致人死亡的標(biāo)準(zhǔn)距離為R0=32.5m,最小沖擊波超壓△P0=0.05MPa,則:
儲氣罐超壓爆炸致人死亡的實(shí)際距離:
l000kg 的TNT,導(dǎo)致防震鋼筋混凝土破壞,房屋倒塌的標(biāo)準(zhǔn)距離為R0=22.3m,最小沖擊波超壓△P0=0.1MPa,則:
儲氣罐超壓爆炸導(dǎo)致鋼筋混凝土破壞,房屋倒塌的實(shí)際距離:R=aR0=0.14×22.3=3.12m。
通過模擬計算,如發(fā)生壓縮空氣儲罐超壓爆炸事故,將造成一定范圍內(nèi)的人員傷害,因此嚴(yán)禁將壓縮空氣儲罐設(shè)置在控制室、休息室等人員密集場所。
易燃易爆氣體,以液態(tài)存儲發(fā)生瞬時泄漏后遇到延遲點(diǎn)火源或氣態(tài)存儲時泄漏到空氣中遇到點(diǎn)火源,都可能發(fā)生蒸汽云爆炸。石油液化氣(主要成分是丁烷),一旦泄漏,能與空氣形成爆炸性氣體混合物,如果達(dá)到爆炸極限,遇到點(diǎn)火源時能形成爆炸事故。本次模擬一只石油液化氣鋼瓶中的丁烷全部泄漏(丁烷質(zhì)量按照40kg 計算)。模擬場景中,泄漏出的丁烷在空氣中形成爆炸性混合物,遇明火發(fā)生蒸汽云爆炸。通過建立爆炸數(shù)學(xué)模型,計算火災(zāi)、爆炸事故造成人員傷亡的范圍。可按照下式預(yù)測蒸汽云爆炸沖擊波的損害半徑:R=CS(NE)1/3
式中:R 為損傷半徑,m;E 為爆破能量,kJ,可按下式:取,E=V×Hc;V 為參與反應(yīng)的可燃?xì)怏w體積,m3;Hc為可燃?xì)怏w的高燃燒熱值,kJ/m3;N 為效率因子,一般取N=10%;Cs為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),取決于損害等級,取值情況見表4。
表4 Cs 取值情況一覽表
(1)V=40×103/58×22.4=154.48m3
式中:V 為1 只鋼瓶丁烷全部液化標(biāo)態(tài)下體積,m3;40為1 只鋼瓶丁烷的質(zhì)量,kg;58 為丁烷的分子量;22.4 為氣體摩爾體積,L。
(2)E=V×Hc=154.48×134026=20704336kJ
式中:E 為爆破能量,kJ;134026 為丁烷氣體的高燃燒值;
(3)R1=CS1(NE)1/3=0.03×(0.1×20704336)1/3=3.8m
式中:R1為人員死亡半徑;N 為效率因子,一般取N=10%。
(4)R2=CS2(NE)1/3=0.06×(0.1×20704336)1/3=7.6m
式中:R2為人員重傷半徑;N 為效率因子,一般取N=10%。
(5)R3=CS3(NE)1/3=0.15×(0.1×20704336)1/3=19.1m
式中:R3為人員輕傷半徑;N 為效率因子,一般取N=10%;
通過模擬計算可以得出,40kg 石油液化氣鋼瓶發(fā)生泄漏,遇明火發(fā)生蒸汽云爆炸事故造成人員傷亡的范圍。根據(jù)表4 的計算結(jié)果,有利于針對此類壓力容器存放、布置位置進(jìn)行判斷。
壓力容器,是壓力容器盛裝氣體或者液體,承載一定壓力的密閉設(shè)備。壓力容器的用途極為廣泛,但壓力容器,尤其是簡單的壓力容器,在使用管理過程中存在諸多問題,導(dǎo)致事故頻發(fā)。
壓力容器事故中,一旦發(fā)生壓力容器爆炸和壓力容器泄漏物蒸汽云爆炸事故,后果往往較為嚴(yán)重。作者通過事故后果模擬分析法,為壓力容器使用單位提供壓力容器選擇、使用、安裝過程中有實(shí)際參考意義的安全評價方法,避免和減少安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。