泄漏源及扩散模式

第六章泄漏源及扩散模式

很多事故是由于物料的泄漏引起的。

因泄漏而导致事故的危害，很大程度上取决于有毒有害，易燃易爆物料的泄漏速度和泄漏量。物料的物理状态在其泄漏至空气中后是否发生改变，对其危害范围也有非常明显的影响，泄漏物质的扩散不仅由其物态、性质所决定，又为当时气象条件、当地的地表情况所影响。

6.1常见泄漏源

泄漏源分为两类：

一是小孔泄漏：通常为物料经较小的孔洞，长时间持续泄漏。如反应器、管道、阀门等出现小孔或密封失效；

二是大面积泄漏：在短时间内，经较大的孔洞泄漏大量物料。如管线断裂、爆破片爆裂等。

为了能够预测和估算发生泄漏时的泄漏速度、泄漏量、泄漏时间等，建立如下泄漏源模型，描述物质的泄漏过程：

1.流体流动过程中液体经小孔泄漏的源模式；

2.储罐中液体经小孔泄漏的源模式；

3.液体经管道泄漏的源模式；

4.气体或蒸汽经小孔泄漏的源模式；

5.闪蒸液体的泄漏源模式；

6.易挥发液体蒸发的源模式。

针对不同的工艺条件和泄漏源情况，应选用相应的泄漏源模式进行泄漏速度、泄漏量、泄漏时间的求取。

6.2 流体流动过程中液体经小孔泄漏的源模式

系统与外界无热交换，流体流动的不同能量形式遵守如下的机械能守恒方程：

（6—1）式中：P——压力，Pa；

ρ——流体密度，kg/m３；

α——动能校正因子，无因次；α≈1

U ——流体平均速度，m/s；

g ——重力加速度，g = 9.81 m/s2；

z ——高度，m；

F ——阻力损失，J/kg；

W s ——轴功率，J；

m ——质量，kg。

对于不可压缩流体，密度ρ恒为常数，有：

（6—2）泄漏过程暂不考虑轴功率，W s =0，则有：

（6—3）液体在稳定的压力作用下，经薄壁小孔泄漏，如图6.1所示。

容器内的压力为p1，小孔直径为d，面积为A，容器外为大气压力。此种情况，容器内液体流速可以忽略，不考虑摩擦损失和液位变化，可得到：

式中，Q为单位时间内流体流过任一截面的质量，称为质量流量，其单位为kg/s。

考虑到因惯性引起的截面收缩以及摩擦引起的速度减低，引入孔流系数C0，则经小孔泄漏的实际质量流量为：

kg /s（6—7）

式中：Q——质量流量，kg / s；

A——泄漏孔面积，m2；

C0——孔流系数；

p1——容器内的压力，Pa；

ρ——流体密度，kg / m３。

C0的取值：

1、薄壁小孔( 壁厚≤d / 2 )，Re > 105C0 = 0.61

2、厚壁小孔( d / 2 < 壁厚≤4d )，或在孔处伸有一段短管(见图6.3 ) C0 = 0.81

3、修圆小孔( 见图6.2 ) C0 = 1

但在很多情况下难以确定泄漏孔口的孔流系数，为了保证安全裕量，确保估算出最大的泄漏量和泄漏速度，Co值可取为1。

例：某液体在容器中以稳定的0.2MPa的压力完全湍流流动，液体的密度为1000kg / m3，因时久腐蚀的原因，容器底部有一小孔发生泄漏，孔径为5mm，壁厚≤d/2，孔流系数C0 = 0.62，容器外部为大气压；问经小孔泄漏的实际质量流量为多少？

解：按液体经小孔的泄漏源模式（6—7）计算：

Q = AC0（2 p1ρ）1/2

= 0.7854×0.0052×0.62（2×0.2×106×1000）= 0.24 kg / s

6.3 储罐中液体经小孔泄漏的源模式

如图6.4所示的液体储罐，距液体位高度Z0处有一小孔，在静压能和势能的作用下，液体经小孔向外泄漏，泄漏过程可由机械能守恒方程描述，罐内液体流速忽略，罐内液体压力为P g，外部为大气压(表压P=0)，如前面定义孔流系数C0，由下式表达：

（6—8）将式（6—8）代入式（6—3）中，可求泄漏速度U：

（6—9）

小孔截面积为A，则质量流量Q为：

（6—10）

但是储罐内液位高度z0不断下降，泄漏速度和质量流量也随之减少，假定储罐与大气相通，则内外压差Δp为0，则

上式简化为：

（6—11）若储罐的横截面积为A0，则经小孔泄漏的最大液体量m为：

（6—12）取一微元时间内液体的泄漏量：

（6—13）并且罐内液体质量的变化速率，即为泄漏质量：

（6—14）将式(6—11)、(6—13)代入(6—14)式，得到：

（6—15）设定边界条件：t=0，t=t，z=z0 ，z=z，对上式进行积分，有：

（6—16）当液体泄漏到泄漏点位置时，泄漏停止，z=0，为此，得到总的泄漏时间：

（6—17）将式(6—16)代入式(6—11)中得到随时间变化的质量流量关系：

（6—18）式中：ρ——流体密度，kg / m３；

C0——孔流系数；

A ——泄漏孔面积，m2；

A0——储罐截面积，m2；

z0 ——泄漏点以上液体的高度，m；

g ——重力加速度，9.81m / s2；

t ——泄漏时间，s。

如果储罐内盛装的是易燃液体，为防止可燃蒸汽大量泄漏至空气中，或空气大量进入储罐内的气相空间，形成爆炸性混合物，通常情况下会采取通氮气保护的措施。

液体表压为P g，外部为大气压(表压P=0)，内外压差即为P g，则

根据式(6—10)、式(6—12)、式(6—13)、式(6—14)可同理得到：

将式（6—20）代入式（6—10）得到任意时刻的质量流量Q：

式中：P g——储罐内液体表压，Pa。

根据上式（6—21）可求出不同时间的泄漏质量流量。