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1、安全系统工程Safety System Engineering,第六章典型事故影响模型与计算,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,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。,Q 液体泄漏速度，kg/s；Cd液体泄漏系数，
2、按表6-1选取；A裂口面积，m2；泄漏液体密度，kg/m3；P容器内介质压力，Pa；P0环境压力，Pag重力加速度，9.8 m/s2；h裂口之上液位高度，m。,表6-1 液体泄漏系数Cd,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：,Cp液体的定压比热，J/kgK；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。,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
3、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Cp与定容比热CV之比。,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：,Cg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0.90Y气体膨胀因子，它由下式计算：,A裂口面积，m2；M分子量；气体密度，kg/m3；R普适气体常数，J/molK，通常取R8.31436；T气体温度，K。,表6-2 常用气体的绝热指数,6.1.3两相流泄漏模型,在过热液体发生
4、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；Cd两相流泄漏系数，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；两相混合物的平均密度，kg/m3，它由下式计算：,（6-11）,1液体蒸发的蒸气密度，kg/m3；2液体密度，kg/m3；Mv蒸发的液体占液体总量的比例，它由下式计算：,Cp两相混合物的定压比热，J/kgK；T两相混合物的温度，K；Tc临界温度，K；Hv液体的气化热，J/kg。,当Mv 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Mv很小，则可近似按液体泄漏公
5、式计算。,如果管道长度和管道直径之比L/D12，先按前面介绍的方法计算纯液体泄漏速率和两相流泄漏速率，再用内插法加以修正。两相流实际泄漏速率的计算公式为：,式中，Q、Qv1和Q1分别为两相流实际泄漏速率、按式（6-11）计算出来的两相流泄漏速率和纯液体泄漏速率，kg/s。,如果管道长度和管道直径之比L/D2，一般认为泄漏为纯液体泄漏。,6.2扩散模式,根据气云密度与空气密度的相对大小，将气云分为重气云、中性气云和轻气云三类。重气云是指气云密度显著大于空气密度的气云，这类气云将受到方向向下的负浮力（即重力）作用。轻气云是指气云密度显著小于空气密度的气云，这类气云将受到方向向上的正浮力作用。中性气
6、云是指气云密度与空气密度相当的气云，这类气云将不受明显的浮力作用。轻气云和中性气云统称为非重气云。,图6-1 烟羽扩散模式示意图,图6-2 烟团扩散模式示意图,连续泄露源泄露物质的扩散示意图,瞬间泄露源泄露物质的扩散示意图,连续泄漏源如连接在大型储罐上的管道穿孔，柔性连接器处出现的小孔或缝隙、连续的烟囱排放等。,瞬间泄漏源如液化气体钢瓶破裂、瞬间冲料形成的事故排放、压力容器安全阀异常启动、放空阀门的瞬间错误开启等,危险化学品事故扩散简化分析假设：（1）气云在平整、无障碍物的地面上空扩散；（2）气云不发生化学反应和相变反应，也不发生液滴沉降现象；（3）危险品泄漏速度不随时间变化；（4）风向为水平
7、方向，风速和风向不随时间、地点和高度变化；（5）气云和环境之间无热量交换。,6.2.1非重气云扩散模型,除了本节第一部分提出的那些假设外，高斯模型还使用了如下假设：（1）气云密度于环境空气密度相当，气云不受浮力作用；（2）云团中心的移动速度和云羽轴向蔓延速度等于环境风速；（3）云团内部或云羽横截面上浓度、密度等参数服从高斯分布（即正态分布）。,建立如下坐标系OXYZ：其中原点O是泄漏点在地面上的正投影，X轴沿下风向水平延伸，Y轴在水平面上垂直于X轴，Z轴垂直向上延伸。,根据高斯模型，泄漏源下风向某点（x,y,z)在t时刻的浓度用下面的公式计算。,瞬间泄漏扩散模型为：,连续泄漏扩散模型为：,6.
8、2.2重气云扩散模型,盒子模型用来描述危险气体近地面瞬间泄漏形成的重气云团的运动，平板模型用来描述危险气体近地面连续泄漏形成的重气云羽的运动。这两类模型的核心是因空气进入而引起气云质量增加的速率方程。,1盒子模型（1）基本假设除了本节第一部分提出的那些假设外，盒子模型还使用了如下假设：重气云团为正立的坍塌圆柱体，圆柱体初始高度等于初始半径的一般。在重气云团内部，温度、密度和危险气体浓度等参数均匀分布。重气云团中心的移动速度等于环境风速。,（2）扩散分析坍塌圆柱体的径向蔓延速度由下式确定：,（3）转变点计算 随着空气的不断进入，重气云团的密度将不断减小，重气坍塌引起的扩散将逐步让位于环境湍流引起
9、的扩散。目前，判断重气坍塌过程终止的常用准则为准则,准则认为，如果小于或等于某个临界值（在0.0010.01之间），重气坍塌引起的扩散将让位于环境湍流引起的扩散。,2.平板模型（1）基本假设除了本节第一部分提出的那些假设外，平板模型还使用了如下假设：,重气云羽横截面为矩形，下风向距离为x米出的云羽横风向半宽b（m），垂直方向高度为 h（m）。在泄漏源点，云羽横风向半宽为高度的两倍，即b0=2h0。重气云羽横截面内部，温度、密度和危险气体浓度等参数均匀分布。重气云羽中心的轴向蔓延速度等于环境风速。,（2）扩散分析,（3）转变点计算,6.3 火灾模型,易燃、易爆的气体、液体泄漏后遇到引火源就会引发
10、火灾。火灾对周围环境的应先主要在于其辐射热，火灾辐射热的影响范围一般均在200m左右的近火源区域.火灾主要有三种类型，即池火灾、喷射火、固体火灾。,6.3.1池火灾,定义：可燃液体泄漏后流到地面或流到水面并覆盖水面，形成液池，遇点火源形成的火灾称为池火,1计算池直径,2燃烧速度,3火焰高度,4火焰表面热辐射通量,5目标接受热辐射强度,6.3.2喷射火灾,加压的可燃气体泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，将形成喷射火灾，使得周围的人员和财产受到损失。,假定火焰为圆锥形，并用从泄漏处到火焰长度4/5处的点源模型来表示。,1火焰长度,2目标接受的热辐射通量,6.3.3固体火灾,固体火灾的热辐射参
11、数按点源模型估计。此模型认为火焰射出的能量为燃烧的一部分，并且辐射强度与目标至火源中心距离的平方成反比。,6.4爆炸,爆炸是物质的一种非常急剧地物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或急剧转化成机械功的现象。一般说来，爆炸现象具有以下特征：1）爆炸过程进行得很快；2）爆炸点附近压力急剧升高，产生冲击波；3）发出或大或小的响声；4）周围介质发生震动或邻近物质遭受破坏。一般将爆炸过程分为两个阶段：第一阶段是物质的能量以一定的形式（定容、绝热）转变为强压缩能；第二阶段强压缩能急剧绝热膨胀对外做功，引起作用介质变形、移动和破坏。,根据能量释放过程的性质，爆炸分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。物理
12、爆炸就是物质状态参数（温度、压力、体积）迅速发生变化，在瞬间放出大量能量且对外做功的现象。其特点是在爆炸现象发生过程中，造成爆炸发生的介质的化学性质不发生变化，发生变化的仅是介质的状态参数。化学爆炸是物质由一种化学结构迅速转变为另外化学结构，在瞬间放出大量能量且对外做功的现象。其特点是在爆炸现象发生过程中，介质的化学性质发生变化；形成爆炸的能源来自物质迅速发生化学变化时所释放的能量。核爆炸是指某些物质的原子核发生裂变反应或聚变反应，瞬间放出巨大能量而形成的爆炸现象。发生化学爆炸时会释放出大量的化学能，爆炸影响范围较大；而物理爆炸仅释放出机械能，其影响范围较小。,6.4.1物理爆炸,物理爆炸时，
13、气体膨胀所释放的能量（即爆炸能量）不仅与气体压力和容器的容积有关，而且与介质在容器内的物性相态相关。,1.压缩气体与蒸汽容器的爆炸能量（1）压缩气体容器的爆炸能量,可按理想气体绝热膨胀做功公式计算，,（2）饱和蒸汽容器的爆炸能量,对于常用压力下的饱和蒸汽容器的爆炸能量可按下式计算：,2.介质全部为液体时的爆炸能量,通常用液体加压时所作的功作为常温液体压力容器爆炸时释放的能量，计算公式如下：,3.液化气体和高温饱和水容器的爆炸能量,在液氯、液氨储罐及锅炉汽包等压力容器内，介质一般以气、液两种物态存在，介质工作压力大于大气压力，介质温度高于其在大气压力下的沸点（也称“过热”）。当容器破裂发生爆炸时
14、，除了气体急剧膨胀对外做功外，还有过热液体激烈的蒸发过程。,（1）液化气体容器的爆炸能量液化气体容器破裂爆炸释放出的能量可按下式计算：,（2）饱和水容器的爆炸能量,常用压力下饱和水的爆炸能量可按下列简化公式计算：,表6-12 常用压力下饱和蒸汽的爆炸能量系数（k=1.135）,表6-13 常用压力下饱和水的爆炸能量系数,比较饱和水蒸汽和饱和水爆炸能量系数，可以发现，饱和水的爆炸能量系数约为蒸汽的几十倍。这表明，饱和水的能量约为同体积、同压力的饱和蒸汽的几十倍，所以在锅筒中，即使饱和水与饱和蒸汽各占一半的容积，饱和蒸汽的爆炸能量也不到全部爆炸能量的10。,4.压力容器爆炸时的冲击波能量,压力容器
15、爆炸时，其爆炸能量以冲击波能量、破片能量和容器残余变形能量三种形式向外释放。研究表明，后两种形式所消耗的能量只占总爆炸能量的3%15%，即爆炸能量的主要形式是冲击波。,冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的，冲击波超压对人体的伤害及对建筑物的破坏作用见表6-14和表6-15。,表6-14 冲击波超压对人体的伤害作用,表6-15 冲击波超压对建筑物的破坏作用,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。,利用式上式和表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。,
16、综上所述，计算压力容器爆破时对目标的伤害、破坏作用，可按下列程序进行。（1）首先根据容器内所装介质的特性，分别选用式(6-54)至(6-58)计算出其爆破能量E。（2）将爆破能量q换算成TNT当量q。因为1kgTNT爆炸所放出的爆破能量为4230kJ/kg4836kJ/kg,一般取平均爆破为4500 kJ/kg,故其关系为：,（3）按式(6-59)求出爆炸的模拟比，即,（4）求出在1000kgTNT爆炸试验中的相当距离RO，即RO=R/。（5）根据RO值在表6-11中找出距离为RO处的超压RO(中间值用插入法)，此即所求距离为R处的超压。（6）根据超压R值，从表6-14、6-15中找出对人员和
17、建筑场的伤害、破坏作用。,5.压力容器爆炸时碎片能量及飞行距离计算压力容器爆炸时，壳体可能破裂为很多大小不等的碎片或碎块向四周飞散抛掷，造成人员伤亡或财产损失。（1）碎片能量的计算碎片飞出时具有动能，动能的大小与每块碎片的质量及速度的平方成正比，即：,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。,（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80120m/s的初速，即使在飞离容器较远的地方也常有2030m/s的速度。,（3）碎片穿透量的计算 压力容器爆炸时，碎片常常
18、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。,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。,凝聚相含能材料的爆炸冲击波最大正相超压,2 蒸气云爆炸,（Vapor Cloud Explosion，简称VCE）,蒸气云爆炸产生的冲击波超压是其主要危害。,3.沸腾液体扩展蒸气爆炸,易燃易爆的液化气体容器在外部火焰的烘烤下可能发生突然破裂，压力平衡被破坏，液体急剧气化，
19、并随即被火焰点燃而发生爆炸，产生巨大的火球，危害极其严重。这种事故被称为沸腾液体扩展为蒸气爆炸。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,（2）火球持续时间,（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：,（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：,（5）视角系数,（6）大气热传递系数,（7）火球热辐射强度,在不考虑障碍物对火球热辐射产生阻挡作用的条件下，距离储罐X处的热辐射强度q可由下式计算：,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。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。,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。,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。,课程结束！谢谢！,
