CC BY
67
/40 Civil SecurityTechnology, Vol. 14, 2017, No. 4 (54) УДК 66.07
Процесс развития чрезвычайных ситуаций, вызванных образованием взрывоопасных концентраций горючих смесей на химически опасных объектах
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2017
Е.В. Свиридок
Аннотация
Рассмотрены процессы развития чрезвычайных ситуаций, вызванных образованием взрывоопасных концентраций горючих смесей и возникновением объемно-детонирующих взрывов. Определены последовательности потенциально возможных событий развития чрезвычайной ситуации взрывного характера на химически опасных объектах. Установлены основные поражающие факторы чрезвычайной ситуации взрывного характера на химически опасном объекте. Сделан вывод о необходимости проведения исследований по анализу риска возникновения аварий с объемно-детонирующими взрывами в неограниченном пространстве.
Ключевые слова: процесс; химически опасный объект; горючая смесь; взрыв; объемно-детонирующий взрыв; аварийные события.
Development of Emergency Situation Due to Formation of Explosive Fuel-Air Mixture at Hazmat Facility
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2017
E. Sviridok
Abstract
The article discusses developing emergency situations caused by formation of explosive fuel-air mixtures and the resulting air-fuel explosions. Potential scenarios of explosive emergency are defined of emergency explosive nature on chemically hazardous objects. Set the main affecting factors, emergency explosive nature on chemically hazardous objects. The conclusion about the necessity to conduct research on the analysis of risk of accidents with space-detonating explosions in infinite space.
Key words: process; hazmat facility; fuel-air mixture; explosion; fuel-air explosion; incident.
В рамках Концепции радиационной, химической и биологической защиты в системе МЧС России на период до 2020 года, утвержденной Коллегией МЧС в 2014 году, выявлено, что сложившиеся социально-экономические условия в Российской Федерации усиливают негативное влияние физических, химических и биологических факторов на население, производственную и социальную инфраструктуру и экологическую систему. Увеличились также риски возникновения чрезвычайных ситуаций (далее — ЧС) (в том числе, вследствие террористических воздействий) на химически опасных объектах (далее — ХОО) различной организационно-правовой формы собственности. Они представляют возрастающую угрозу жизнедеятельности человека, национальной безопасности, социально-экономическому развитию Российской Федерации и накладывают свой отпечаток на содержание и эффективность выполнения задач радиационной, химической и биологической (РХБ) защиты спасательных сил МЧС России.
Многие из химических веществ обладают токсичностью, и их воздействие на живые организмы может приводить к поражению различной степени тяжести, в том числе и к летальным исходам. Многие химические вещества, используемые в промышленности, к тому же огнеопасны, а смеси, образованные на их основе, способны взрываться [1]. Взрывы облаков горючих смесей (далее — ГС) углеводородных продуктов нефте- и газохимии, а также некоторых химических веществ, относятся к объемным взрывам, основным поражающим фактором которых является избыточное давление в волне сжатия, приводящее к повреждениям
различной степени тяжести у человека и разрушению конструкций. Все это предопределяет опасность объектов техносферы, где обращаются химические вещества.
Обычно совокупность случайных событий, составляющих аварию на ХОО, можно разделить на две группы. В первую группу входят события, образующие фазу инициирования аварии. Это — инициирующие, промежуточные события и сам инцидент [1]. Инициирующими событиями для аварий могут быть как внешние, так и внутренние по отношению к ХОО события. К внутренним событиям относятся отказы технических устройств, влияющих на безопасность, ошибочные действия персонала (так называемый «человеческий фактор»), пожары и др., а к внешним — опасные природные явления, диверсии, несанкционированные действия. Под инцидентом понимается несанкционированное высвобождение токсического или энергетического потенциала ХОО. Токсический инцидент связан с высвобождением аварийно химически опасных веществ (далее — АХОВ) (например, вследствие разгерметизации емкостей, содержащих химические вещества). Проявление инцидента может выражаться в распространении химических веществ в окружающем пространстве, в пожаре или взрыве[1].
Вторую группу образуют события, связанные с выходом токсического или энергетического потенциала объекта в окружающее пространство, формирование поля поражающих факторов и его воздействие на реципиентов. Реципиентами аварий являются люди, окружающая среда и материальные объекты (имущество, здания, сооружения и т.д.) [1]. На рис. 1 представлена блок-схема, описывающая основные источники
Рис. 1. Блок-схема основных источников химической опасности и ее направлений реализации
/42 ^П SecurityTechnology, Vol. 14, 2017, No. 4 (54)
химической опасности и ее вероятные направления реализации.
Основными фазами процесса развития аварии на ХОО являются:
инициирование, включающее этапы накопления механических повреждений оборудования, отклонений от заданных режимов эксплуатации, а также нарушения контроля за состоянием оборудования (в случае экстремальных внешних воздействий может протекать кратковременно). Заканчивается возникновением на объекте аварийной ситуации, которая может быть связана с начавшимися разрушениями и необратимыми отклонениями от условий нормальной эксплуатации;
развитие аварийной ситуации, когда персонал и автоматические системы защиты теряют контроль за процессами, протекающими в объекте, и начинается высвобождение энергии АХОВ, либо начинаются неконтролируемые реакции, при которых формируются поражающие факторы (образуются новые опасные вещества), представляющие угрозу для персонала и окружающей среды;
разрушение защитных оболочек и выход поражающих факторов за защитные барьеры [2].
При высвобождении токсического потенциала, сконцентрированного на объекте, опасность может преобразоваться в токсическую аварию. Высвобождение энергетического потенциала может привести к превращению соответствующей опасности в пожар или взрыв. Возможны комбинированные аварии: пожар в сочетании с токсической аварией, когда огнеопасное вещество является одновременно и токсическим веществом, или когда нетоксическое вещество при горении выделяет токсические вещества [1].
Около 95% аварий в химической промышленности связано со взрывами АХОВ. Анализ взрывов ГС показывает, что большинство из них представляет собой последовательность промежуточных стадий, каждая из которых обусловлена несовершенством технических средств или ошибочными действиями персонала. Такой анализ в сочетании с математической обработкой имеющихся статистических данных дает возможность выделить наиболее характерные опасности химических производств:
образование взрывоопасного облака ГС над территорией предприятия и близлежащих жилых районов, а также в объеме производственных помещений;
образование взрывоопасных парогазовых смесей в аппаратуре и инициирование объемно-детонирующего взрыва их внутренними источниками воспламенения;
образование жидких или твердых взрывоопасных продуктов и накопление их в аппаратуре, а также инициирование взрыва внутренними источниками воспламенения;
образование взрывоопасных пылевоздушных смесей в производственных помещениях и в аппаратуре и инициирование объемно-детонирующего взрыва внешними и внутренними источниками воспламенения;
проявление внешних источников воспламенения, инициирование объемно-детонирующего взрыва
парогазовых и жидкостных технологических выбросов [3, 4].
Взрывоопасность химического производства определяется не только объемами и свойствами обращающихся веществ, но в значительной мере характером и особенностями технологических процессов.
Как известно, явление взрыва представляет собой процесс быстрого физического или химического превращения системы, который сопровождается переходом содержащейся в ней потенциальной энергии в механическую работу, обусловленную быстрым расширением газов или паров, независимо от того, существовали ли они до взрыва или образовались во время взрыва. Газообразные продукты взрыва из-за большой скорости протекания химической реакции занимают в начальный момент времени объем самого взрывчатого вещества, которое, как правило, находится в сильно сжатом состоянии, в результате чего в месте взрыва резко повышается давление, которое является непосредственной причиной разрушительного действия взрыва [5].
В ходе теоретических и экспериментальных исследований [6] было установлено, что объемно-детонирующий взрыв возникает в смесях воздуха и некоторых окисляющихся веществ в виде пыли, газовых смесей, аэрозоля или пара.
В результате исследования процессов горения, в ХХ веке была создана теория воспламенения взрывоопасных смесей, исходя из положений которой утверждается, что взрыв ГС — явление не мгновенное [7]. В результате проведения многочисленных исследований было установлено, что по характеру и скорости своего распространения все известные взрывные процессы делятся на следующие основные виды: горение, взрыв и детонацию [7].
Известно, что горючие смеси могут воспламеняться и устойчиво гореть при определенных условиях: перемешивание с воздухом в определенном соотношении; наличие источника воспламенения [7]. Процессы горения протекают сравнительно медленно и распространяются с переменной скоростью — от долей м/с до нескольких м/с и существенно зависят от внешнего давления. Передача энергии в этом случае происходит путем теплопроводности или диффузионного теплообмена от прогретых продуктов горения [7]. Анализ кинетики химических реакций показывает, что повышение давления приводит в большинстве случаев к интенсивному ускорению распространения фронта горения. Скорость его для углеводородных смесей может достигать значения десятков и даже сотен метров в секунду [8]. В связи с этим, вся реакционная способная смесь реализуется с эффектом взрыва независимо от объема ГС, и возникает другая форма химического превращения, а именно так называемая дефлаграция, или взрывное горение с образованием сильных волн сжатия, а в некоторых случаях—ударных волн с избыточным давлением во фронте до нескольких десятков атмосфер.
Увеличение давления при взрыве внутри сооружения приводит к разрушениям элементов конструкций
и повреждениям предметов, расположенных внутри помещения [7].
Дефлаграционное горение может развиться и при воспламенении ГС в свободном (не замкнутом) объеме. При этом объем облака ГС должен составлять десятки-сотни тысяч кубических метров, а линейные размеры облака—не менее нескольких десятков и даже сотен метров [7].
Другой формой взрывчатого превращения ГС является детонация. С научной точки зрения детонация представляет собой взрыв, распространяющийся с максимально возможной для данной ГС и данных условий скоростью, превышающей скорость звука. Главным отличительным условием возникновения детонации является наличие источника, способного генерировать ударную волну в смеси для возбуждения в ней химической реакции в виде детонации. Этим источником может быть сильный искровой разряд, источник высокой плотности энергии и т.д. В условиях детонации достигается максимальное разрушительное действие взрыва [7].
Ранее проведенными исследованиями были установлены максимальные значения избыточного давления во фронте ударной волны, составившие при взрыве газовоздушной смеси 800 кПа, пыли — 700 кПа, паровоздушной смеси — 100-200 кПа [8]. Если принять во внимание, что в производственных условиях взрывы, как правило, происходят в замкнутом помещении, то полное избыточное давление формируется за счет процессов отражения механической волны от стен и составляет величину в 5-6 раз превышающую избыточное давление, возникшее при взрыве [8]. В этой связи особенно большую опасность будут представлять объемно-детонирующие взрывы.
При утечке газообразного или испарении жидкого топлива в воздухе образуется ГС с неравномерной концентрацией горючего по объему. В большинстве случаев определить величину этих концентраций невозможно из-за ряда объективных причин. Однако можно выделить некоторые закономерности процесса горения обедненных (с концентрацией горючего ниже стехиометрической) и насыщенных (с концентрацией горючего выше стехиометрической) смесей. Для обедненных углеводородных смесей характерно полное сгорание горючего до СО2 и Н2О и наличие остатка кислорода воздуха. В насыщенных смесях углеводородное топливо полностью не сгорает из-за нехватки необходимого количества кислорода воздуха [8].
Процесс образования облака ГС будет зависеть от соотношения молярных масс горючего и воздуха. Если молярная масса горючего превышает молярную массу воздуха (^ > 29), горючий газ (за исключением метана, водорода и аммиака) при истечении опускается, заполняя нижнюю часть объема помещения. В то же время горючее будет диффундировать в воздух, образуя при этом взрывоопасную концентрацию в определенных объемах ГС. Область взрывоопасной концентрации будет перемещаться по объему в направлении от источника истечения и снизу вверх. Та же ситуация отмечается при испарении жидкого горючего, так как его пары,
как правило, в несколько раз тяжелее воздуха. Смесь горючего с воздухом будет создаваться до тех пор, пока в области взрывоопасной концентрации не окажется один из вероятных источников воспламенения. При последующем взрыве в реакцию с кислородом воздуха вступит лишь часть газообразных углеводородов, ввиду неравномерного распределения концентрации горючего в объеме ГС. Ударная волна распространяется на расстояние, всего лишь в несколько раз превышающее размеры той области, которую занимает непосредственно сам взрыв. А размеры той области, в которой происходит детонация ГС, достигают сотен метров. Для осуществления процесса горения или взрыва облака из капель горючей жидкости необходим кислород. В обычной бомбе он имеется в изобилии уже в самом взрывчатом веществе. При объемно-детонирующем взрыве необходимый для окисления горючего вещества кислород берется из атмосферы. Поэтому внутри области размером в несколько сотен метров возникает атмосфера, обедненная кислородом [8].
Краткий анализ основных закономерностей процессов горения и взрыва свидетельствует о том, что возможны случаи возникновения аварий с объемно-детонирующими взрывами в неограниченном пространстве. Эта проблема имеет важное теоретическое и практическое значение при проведении исследований по анализу риска, а также для тщательной оценки и прогноза аварий на ХОО и нуждается во всестороннем исследовании.
Необходимым условием для принятия соответствующих управленческих решений в промышленной безопасности является количественный анализ риска аварий на ХОО [9].
Для количественного анализа риска требуются данные о надежности функционирования различных узлов, арматурных и регулирующих устройств, контрольно-измерительной аппаратуры и других элементов оборудования. Кроме того, необходим сбор и анализ информации, характеризующей последствия аварий, в частности, образование облаков ГС, передвигающихся за пределы территории предприятия, что может привести к огромному ущербу (для его количественной оценки необходимы исследования характеристик этих облаков и их возможного распространения) [9].
Разгерметизация различных емкостей и технологического оборудования приводит к утечке большого количества АХОВ в окружающую среду. Определяющим для оценки риска является установление размеров облака и направления его движения, сбор информации о нанесенном ущербе.
Наглядным примером могут служить расчеты, выполненные с помощью автоматизированного программно-технического комплекса по планированию и проведению мероприятий ГО (АПТК-ГО) подсистемой «Модель», разработанного сотрудниками ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ).
На рис. 2 показано распределение вероятности смертельного поражения при формировании и дрейфе токсичного облака аммиака в результате разгерметизации резервуара.
/44 Civil SecurityTechnology, Vol. 14, 2017, No. 4 (54)
Рис. 2. Вероятностные зоны токсического поражения при разрушении цистерны с аммиаком (масса выброса — 100 т): А — наиболее опасное направление; состояние атмосферы — изометрия; скорость ветра 6 м/с; В — наиболее вероятное
направление ветра
Как видно из данных рисунка, определяющее влияние на динамику дрейфа токсичного облака оказывают параметры окружающей среды: температура воздуха, географическое направление и сила ветра, класс устойчивости атмосферы, шероховатость земной поверхности и т. п. В этом случае при неблагоприятных условиях рассеяния зона смертельного поражения людей с 99%-ной вероятностью составляет 1459 м.
Возникновение и развитие аварийных ситуаций на объектах, представляющих собой сложную техническую систему, определяются комбинацией случайных событий, возникающих с различной частотой и на разных стадиях [10].
В отличие от других подходов оценки безопасности производственной деятельности методология риска позволяет в рамках системного анализа:
исследовать причинно-следственный механизм (логику) возникновения различных аварий и спрогнозировать их частоту;
учесть влияние технологических, метеорологических, региональных и целого ряда других особенностей на характер и масштабы последствий от аварий;
оптимизировать управленческие решения по повышению безопасности объекта в условиях ограниченных средств.
Проще говоря, она дает возможность реализовать принцип «предвидеть и предупреждать» вместо традиционного «реагировать и исправлять» [10].
Таким образом, проведение исследований по анализу риска возникновения аварий с объемно-детонирующий взрывами в неограниченном пространстве позволит принять меры по предупреждению аварий и по обеспечению готовности организаций к эксплуатации химически опасного объекта в соответствии с требованиями промышленной безопасности.
Литература
1. Горский В. Г., Моткин Г. А., Петрунин В. А., Терещенко Г. Ф., Шаталов А. А., Швецова-Шиловская Т.Н. // Научно-методические аспекты анализа аварийного риска. М.: Экономика и информатика, 2002. 260 с.
2. Акимов В. А., Лесных В. В., Радаев Н. Н. // Основы анализа риска и управления риском в природной и техногенной сферах. М.: Деловой экспресс, 2004. 102 с.
3 Бесчастнов М. В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.: Химия, 1991.
4. Бесчастнов М. В. Взрывобезопасность и противоаварийная защита химико-технологических процессов. М.: Химия, 1983. 472 с.
5. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах / Пер. с англ. / Под ред. К. И. Щелкина, А. А. Борисова/ М.: Мир, 1968. 592 с.
6. Таубкин И.С. Классификация веществ по их способности к взрывчатому превращению // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. 1997. № 11. С. 33-53.
7. Демидов П. Г., Шандыба В. А., Щеглов П. П. Горение и свойства горючих веществ. М.: Химия, 1981. 272 с.
8. Егорова Ю. А., Трошкин Н. М., Клюжин А. В. Актуальные аспекты теории и практики объемных взрывов // Сб. научных статей . 2003. Ч. 1. Вып. 3. СВИРХБЗ. С. 102-103.
9. Кузьмин И. И., Махутов Н. А., Хетагуров С. В. Безопасность и риск: эколого-экономические аспекты. Спб.: Изд-во Санкт-Петербургского ун-та экономики и финансов. 1997. 164 с.
Сведения об авторе_
Свиридок Екатерина Викторовна: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), н.с.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. e-mail: svkate1@rambler.ru SPIN-код — 2268-5748.
Information about the author
Sviridok Ekaterina V.: All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Researcher. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: svkate1@rambler.ru SPIN-scientific — 2268-5748.
