Agnigor, 2019

Руководство по безопасности
Методика оценки последствий аварий
на взрывопожароопасных химических производствах

Утв. Приказом Ростехнадзора от 20.04.2015 №160

Содержание

I. Общие положения

II. Общие рекомендации по оценке последствий аварий на взрывопожароопасных химических производствах

III. Рекомендации по определению основных параметров взрыва ТВС

Приложение №1. Список сокращений и обозначений

Приложение №2. Термины и определения

Приложение №3. Примеры моделирования аварий с использованием методов вычислительной гидродинамики

Пример 1. Выброс пропана в газовой фазе в результате полного разрушения емкости, расположенной в 10м от непроницаемого препятствия высотой 3м

Пример 2. Выброс пропана в газовой фазе в результате полного разрушения емкости, расположенной в 10м от наклонной вверх поверхности

Пример 3. Выброс пропана в газовой фазе в результате полного разрушения емкости, расположенной в 10м от наклонной вниз поверхности

Пример 4. Взрыв ТВС в прямоугольном ангаре, заполненном трубами

Пример 5. Взрыв ТВС в загроможденном производственном модуле

Текст

I. Общие положения

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 2013г. №96 (зарегистрирован Минюстом России 16 апреля 2013г., регистрационный №28138), требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Общие требования к обоснованию безопасности опасного производственного объекта", утвержденных приказом Ростехнадзора от 15 июля 2013г. №306 (зарегистрирован Минюстом России 20 августа 2013г., регистрационный №29581), и требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила безопасности химически опасных производственных объектов", утвержденных приказом Ростехнадзора от 21 ноября 2013г. №559 (зарегистрирован Минюстом России 31 декабря 2013г., регистрационный №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 №1 и 2 к настоящему Руководству.

5. Руководство распространяется на опасные производственные объекты, на которых обращаются взрывопожароопасные вещества.

II. Общие рекомендации по оценке последствий аварий на взрывопожароопасных химических производствах

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 500м).

8. Оценку возможных последствий аварий рекомендуется проводить на основе методических документов, указанных в таблице №1.

Таблица №1

НазначениеДокумент
1. Расчет параметров ударной волны, зон поражения и разрушения при воспламенении и взрыве облаков топливно-воздушных смесейРуководство по безопасности "Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей", утв. Приказом Ростехнадзора от 31.03.2016 №137
2. Расчет концентрации, массы ОВ во взрывоопасных пределах и зон поражения при пожаре-вспышке и взрыве ТВСРуководство по безопасности "Методика моделирования распространения аварийных выбросов опасных веществ", утв. Приказом Ростехнадзора от 20.04.2015 №158
3. Определение параметров воздействия и зон поражения при горении пролива, огненном шаре, факельном горенииМетодика определения величин пожарного риска на производственных объекта", утв. Приказом МЧС РФ от 10.07.2009 №404
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 осколкамиСТО Газпром 2-2.3-400-2009 "Методика анализа риска для опасных производственных объектов газодобывающих предприятий ОАО "Газпром"

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.

III. Рекомендации по определению основных параметров взрыва ТВС

10. Для моделирования распространения опасных веществ рекомендуется проводить численное интегрирование системы уравнений в частных производных, представимых в виде уравнений (1-5).

Уравнение сохранения массы:

d(βυ ρ)/dt + d(βiρ ui)/dt = m·/V   .   (1)

Уравнение сохранения импульса:

d(βυ ρ ui)/dt + d(βi ρ ui uj)/dxj = - βυ dp/dxi + d(βj σij)/dxj + Fo,i + βυ Fw,i + βυ(ρ - ρ0)g    ,   (2)

где

σij - тензор напряжений;

Fw,i - сопротивление потока стенкам;

Fo,i - сопротивление потока препятствиям, чей размер меньше одной ячейки вычислительной сетки:

Fo,i = -ρ |dβ/dx| ui |ui|  .

Уравнение переноса для энтальпии:

d(βυ ρ h)/dt + d(βj ρ uj h)/dxj = d[βjeffh) (dh/dxj)]/dxj + βυ(Dp/Dt) + Q·/V   .   (3)

Уравнение переноса для массовой доли топлива:

d(βυ ρ Yf_uel)/dt + d(βj ρ uj Yf_uel)/dxj = d[βjefff_uel) (dYf_uel/dxj)]/dxj + Rf_uel   .   (4)

Уравнение переноса для доли смешения:

d(βυ ρ ξ)/dt + d(βj ρ uj ξ)/dxj = d[βjeffξ) (dξ/dxj)]/dxj   .   (5)

11. Турбулентность рекомендуется моделировать по модели k-ε, которая состоит из двух уравнений, одно для кинетической энергии турбулентности (6), а второе для диссипации кинетической энергии турбулентности (7).

Уравнение турбулентной кинетической энергии:

d(βυ ρ k)/dt + d(βj ρ uj k)/dxj = d[βjeffk) (dk/dxj)]/dxj + βυPk - βυρε   .  (6)

Уравнение скорости диссипации турбулентной кинетической энергии:

d(βυ ρ ε)/dt + d(βj ρ uj ε)/dxj = d[βjeffε) (dε/dxj)]/dxj + βυPε - Сβυρ(ε2/k)    .   (7)

12. Тензор турбулентных вязких напряжений, используемый в уравнении (2), рекомендуется определять следующим образом:

σij = μeff (dui/dxj + duj/dxi) - (2/3)δij(ρk + μeff duk/dxk)   ,   (8)

где эффективная вязкость определяется следующим образом:

μeff = μ + ρCμ(k2/ε)   ,   (9)

где

ρCμ(k2/ε) - турбулентная или вихревая вязкость.

13. Вклад сдвиговой турбулентности Gs, движения поверхностей Gw, гравитационной турбулентности Gb и препятствий, чей размер меньше одной ячейки Go в образование кинетической энергии турбулентности рекомендуется представлять в виде:

Pk = Gs + Gw + Gb + Go   ,   (10)

где

Gs = σij duj/dxi   ;   (11)

Gb = - (1/p) (μeffb) gj dp/dxi   ;   (12)

Go = Co βυ ρ |u| ui2 fi   .   (13)

14. Диссипацию турбулентной энергии рекомендуется описывать уравнением:

Pε = С (ε/k) Pk (1 + СRf)   ,   (14)

где модель плавучести определяется следующим образом:

 Rf = - (Gb/Pk) [|u×g| / |u||g|]   .

Для моделей с вихревой вязкостью тензор напряжений Рейнольдса определяется следующим образом:

ui'' uj'' = μeff (dui/dxj + duj/dxi) - ρ(2/3)kδij  .   (15)

В уравнениях (10)-(15) используются константы, сведения о которых приведены таблицах №2 и 3

Таблица №2

Значения коэффициентов модели
Лаундера и Спалдинга
CμCCC
0,091,440,920,8

Таблица №3

Значения коэффициентов модели
турбулентности Прандтля-Шмидта
σhσf_uel σξσk σεσb
0,70,70,71,01,30,9

15. У поверхности земли рекомендуется учитывать эффекты пограничного слоя. Характеристический масштаб в приграничном слое определяется по формуле:

L = - (ρa Cp Ta u*3) / (k g Hθ)   ,   (16)

где

ρa и Ta - плотность и температура среды;

Cp - изобарная теплоёмкость;

k - кинетическая энергия турбулентности;

g - гравитационная постоянная;

Hθ -поток тепла от поверхности;

u* - скорость трения.

Масштаб Монина-Обухова (Таблица №4) является мерой стабильности атмосферных пограничных слоев.

Таблица №4

Масштабы Монина-Обухова и классы устойчивости
Масштаб Монина-ОбуховаУстойчивость
Малый отрицательный: -100<L<0Очень неустойчивая
Большой отрицательный: -105<L<100Неустойчивая
Очень большой: |L|>105Нейтральная
Большой положительный: 10<L<105Устойчивая
Малый положительный: 0<L<10Очень 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)
U(z) = (u*/k) ln{[(z- zd)+z0]/z0} - ψu(z)   , при z0>0
U(z) =  U0   , при z0=0   .

Скорость сдвига:

u* = (U0k) / [ln{[(z- zd)+z0]/z0} - ψu(zref)]   ,   (18)

где

ψu определяется по формуле:

(19)
ψu(z) = 0   , для класса устойчивости D ;
ψu(z) = 2ln[(1+ξ)/2] + ln[(1+ξ2)/2] - arctan(ξ) + π/2   , при L<0 ;
ψu(z) = -17 {1- exp[-0,29(z/L)]}   , при L>0 ,

где

ξ = (1 - 16z/L)1/4   .   (20)

17. В таблице №5 приводятся параметры, необходимые для расчета скорости, k и ε в пограничных слоях:

Таблица №5

Масштабы Монина-Обухова и классы устойчивости
Класс ПаскуиллаУстойчивость Высота пограничного слояLs, мzs, м
АНеустойчивая1500м33,1621117
ВНеустойчивая1500м33,2581146
ССлабо неустойчивая1000м51,7871,324
DНейтральная0,3[(u*L)/(Lf)]10
ЕСлабо устойчивая04√[(u*L)/f]-48,331,262
FУстойчивая04√[(u*L)/f]31,32319,36

По приведенным данным из таблицы №5 масштаб Монина-Обухова рассчитывается следующим образом (21):

1/L = (1/Ls) log(z0/zs)    .   (21)

18. Для неустойчивых пограничных слоев (А, В и С) параметры рекомендуется рассчитывать по формулам:

(22)
k(z) = 0,36ω*2 + 0,85u*2[1 - 3(z/L)]2/3   ,   при z≤0,1h   ;
k(z) = ω*2{0,36 + 0,9(z/h)2/3 [1 - 0,8(z/h)]2}    ,   при z>0,1h   ,

(3)
ε(z) = (u*3/ω*3)(1 + 0,5|z/L|2/3)3/2   ,   при z≤0,1h   ;
ε(z) = (ω*3/h)[0,8 - 0,3(z/h)]    ,   при z>0,1h   ,

где

ω*  - скорость передачи тепла:

ω* = [(g qs H) / (Т0 ρ Cp,)]1/3   ,   (24)

где

H - коэффициент теплопередачи, плотность ρ и теплоемкость Ср воздуха получены при температуре Т0 и Р0 плотности окружающей среды.

19. Для нейтральных и устойчивых пограничных слоев:

(25)
k(z) = 6u*2   ,   при z≤0,1h   ;
k(z) = 6u*2[1 - (z/h)]1,75    ,   при z>0,1h   ,

(26)
ε(z) = (u*3/kz)[1,24 + 4,3(z/h)]   ,   при z≤0,1h   ;
ε(z) = (ω*3/kz)[1,24 + 4,3(z/h)][1 - 0,85(z/h)] 3/2    ,   при z>0,1h   ,

20. Ламинарную скорость пламени смеси горючих веществ рекомендуется оценивать по формулам (27)-(28).

Зависимость скорости ламинарного горения от давления:

SL = S0L (p/P0)a   ,   a=γр   .   (27)

Для квазиламинарного режима горения:

SQL = SL{1 + χ min[(R/3)0,5 , 1]}   ,   (28)

где

R - газовая постоянная для конкретного вещества или смеси:

R = Ru / M   ,   (29)

где

Ru - универсальная газовая постоянная;

M - молярная масса.

21. Турбулентную скорость пламени рекомендуется определять по формуле

ST = 15(SL)0,784(u*)0,412(lI)0,190   .   (7)

22. Скорость пламени рекомендуется определять по следующему соотношению:

Su = max(SQL , ST)   .   (8)

23.Коэффициент диффузии из уравнения переноса топлива определяется по формуле

D = μeff / σf_uel   ,   (9)

Безразмерную скорость реакции и коэффициент диффузии можно определить по следующим соотношениям:

W* = w/β  = W(lLTg)   ,   (10)

D* = Dβ  = D(Δg/lLT)   ,   (11)

где

Δg - длина контрольного объема в первом слое над поверхностью земли;

lLT - перемешивание.

lLT = Сμ k3/2 ε-1   .   (12)

При заданном пределе затухания χq=0,05 получено следующее соотношение между коэффициентом диффузии D и безразмерной скоростью реакции W:

WD = 1,37(Su)2 = W*D*  ,   (13)

где:

W* = С (Sug)   .   (14)

D* = С (Su Δg)   .   (15)

24. Скорость реакции топлива моделируется следующим образом:

Rf_uel = -W*ρ min[δH (χ - χq) , χ , 9 - 9χ )]  ,   (16>)

где

δH- функция Хевисайдa.

25. Примеры моделирования аварий с использованием методов вычислительной гидродинамики приведены в Приложении №3 к настоящему Руководству.

 

Приложение №1

Список сокращений и обозначений

В настоящем Руководстве используются следующие обозначения и сокращения:

ОВ - опасное вещество;

ТВС - топливно-воздушная смесь;

βυ - объемная пористость;

βi - поверхностная пористость в i-м направлении;

γр - показатель степени давления для ламинарного горения;

δij - дельта-функция, δij=1, если i=j и δij=0, если i≠j;

δH - функция Хевисайда, тэта-функция; δH(a-b)=1 , если a≥b и δН(a-b)=0 , если a<b ;

ε - диссипация турбулентной кинетической энергии, м2с-3;

ξ - доля компонента смеси;

μ - динамическая вязкость, Па·с;

μt - динамическая турбулентная вязкость, Па·с;

μeff - эффективная вязкость, Па·с, μeff=μ+μt ;

Р - плотность, кг·м-3;

ρa - плотность окружающей среды, кг·м-3;

σε , σξ , σb , σk , σf_uel , σh - турбулентные числа Прандтля-Шмидта;

σij - компонента тензора напряжений, Н·м-2;

χ - прогрессная переменная, локализующая фронт пламени, χ=(Yf_uel)/[Y0f_uel+ξ(Y1f_uel-Y0f_uel)] ;

χq - предел затухания;

ω* - скорость передачи тепла;

Δg - длина контрольного объема в первом слое над поверхностью земли;

С , С , С , Cμ - константы k-ε модели турбулентности, как правило, С=1,44 , С=1,92 , C=0,8 , Cμ=0,09 ;

Сp - изобарная теплоемкость воздуха;

g - вектор ускорения свободного падения;

gi - компонента вектора ускорения свободного падения;

g - гравитационная постоянная;

f - коэффициент, характеризующий турбулизацию от препятствий меньшего размера, чем размер расчетной сетки;

Fw,i - сопротивление потока стенкам;

Fo,i - сопротивление потока препятствиям, чей размер меньше одной ячейки вычислительной сетки;

h - энтальпия, Дж·кг-1;

Hs - поток тепла от поверхности земли;

Н - коэффициент теплопередачи;

k - кинетическая турбулентная энергия, м2·с2;

L - масштаб Монина-Обухова, м;

lLT - перемешивание;

М - молярная масса;

m - масса, кг;

m· - скорость изменения массы, кгс · c;

р - абсолютное давление, Па;

P0 - среднее давление, Па;

Рε - член, описывающий диссипацию кинетической турбулентной энергии;

Рk - член, описывающий генерацию кинетической турбулентной энергии;

Q - теплота, Дж;

Q·- скорость потока тепла, Дж·с-1;

R - газовая постоянная смеси, Дж·кг-1, К;

Ru - универсальная газовая постоянная, Дж·кг-1, К;

Rf_uel - скорость реакции топлива, кг·м-3·с-1;

SL - ламинарная скорость пламени, м·с-1;

ST - турбулентная скорость пламени, м·с-1;

SQL - квазиламинарная скорость пламени, м·с-1;

t - время, с;

Ta - температура окружающей среды, К;

u - вектор скорости;

ui - компонент вектора скорости, м/с;

u* - динамическая скорость (скорость сдвига), м/с;

U0 - характеристическая скорость, м/с;

V - объем, м-3;

хj - линейная координата, м;

Y - массовая доля;

z - высота над землей, м;

z0 - коэффициент шероховатости, м.

 

Приложение №2

Термины и определения

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 среды, указанные в приложении 1 к Федеральному закону от 21 июля 1997г. №116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов".

 

Приложение №3

Примеры моделирования аварий с использованием
методов вычислительной гидродинамики

Пример 1

В результате полного разрушения емкости произошел выброс пропана в газовой фазе. Скорость ветра 4м/с, температура окружающей среды 20°С, класс устойчивости атмосферы по Паскуиллу - F. На расстоянии 10м по направлению ветра от емкости находится непроницаемое препятствие высотой 3м. 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.
Рис. 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 4м/с, температура окружающей среды 20°С, класс устойчивости атмосферы по Паскуиллу - F. На расстоянии 10м 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.
Рис. 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 4м/с, температура окружающей среды 20°С, класс устойчивости атмосферы по Паскуилу - F. Емкость расположена на возвышенности в 10м 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.
Рис. 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 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
Рис. 3-4. Распределение давления при взрыве облака ТВС

В горизонтальном сечении

В вертикальном сечении
Рис. 3-5. Распределение продуктов горения при взрыве облака ТВС
Пример 5

В загроможденном производственном модуле произошел взрыв ТВС.


Рис. 3-6. Схема модуля (направление на север соответствует оси Оу)

Параметры модуля: 25,5×20,5×5,5м.

Объем модуля: 2875м3.

Площади боковых поверхностей: 112,75м2 (южная/северная стена), 140,25м2 (западная/восточная стена).


Рис. 3-7. Конфигурация стен модуля (вид сверху)


Рис. 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 76,75м2, а на восточной 87м2.

Легкосбрасываемые конструкции срабатывают при избыточном давлении 0,05 атм.

Состав смеси: метан 87,44%; этан 6,43%; пропан 3,13%; бутан 2,57%; СО2 0,01%; Н2O 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 3-1

Сценарии моделирования
№ экспериментаЗагроможденность Угол раскрытия панели,
% (или площадь панели)
Координата места воспламенения
21100111001
21100211002
21100311003
2107011701
2107021702
2107031703
22100121001
22100221002
22100321003
2207012701
2207022702
2207092703

Таблица 3-2

Значение избыточного давления Рmax
при различных сценариях моделирования
Место
воспламенения
Значение избыточного давления Рmax, бар
Угол раскрытия ЛСК (или площадь панели)
100%70%
Загроможденность 111013
24,76
31213
Загроможденность 21810
23,94,6
31213

Рис. 3-9. Распределение давления при взрыве облака ТВС
при различных сценариях моделирования