爆炸及火灾事故后果模拟分析方法

事故后果模拟分析方法1 简述火灾、爆炸、中毒是常见的重大事故，经常造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失，影响社会安定。

这里重点介绍有关火灾、爆炸和中毒事故(热辐射、爆炸波、中毒)后果分析，在分析过程中运用了数学模型。

通常一个复杂的问题或现象用数学模型来描述，往往是在一个系列的假设前提下按理想的情况建立的，有些模型经过小型试验的验证，有的则可能与实际情况有较大出入，但对辨识危险性来说是可参考的。

2 泄漏由于设备损坏或操作失误引起泄漏，大量易燃、易爆、有毒有害物质的释放，将会导致火灾、爆炸、中毒等重大事故发生。

因此，事故后果分析由泄漏分析开始。

2．1 泄漏情况分析1)泄漏的主要设备根据各种设备泄漏情况分析，可将工厂(特别是化工厂)中易发生泄漏的设备归纳为以下10类：管道、挠性连接器、过滤器、阀门、压力容器或反应器、泵、压缩机、储罐、加压或冷冻气体容器及火炬燃烧装置或放散管等。

(1)管道。

它包括管道、法兰和接头，其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20％～100％、20％和20％～100％。

(2)挠性连接器。

它包括软管、波纹管和铰接器，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①连接器本体破裂泄漏，裂口尺寸取管径的20％～100％；②接头处的泄漏，裂口尺寸取管径的20％；③连接装置损坏泄漏，裂口尺寸取管径的100％。

(3)过滤器。

它由过滤器本体、管道、滤网等组成，其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20％～100％和20％。

(4)阀。

其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①阀壳体泄漏，裂口尺寸取管径的20％～100％；②阀盖泄漏，裂口尺寸取管径的20％；③阀杆损坏泄漏，裂口尺寸取管径的20％。

(10)火炬燃烧器或放散管。

它们包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗涤器和分离罐等，泄漏主要发生在简体和多通接头部位。

裂口尺寸取管径的20％～100％。

2)造成泄漏的原因从人－机系统来考虑造成各种泄漏事故的原因主要有4类。

(1)设计失误。

①基础设计错误，如地基下沉，造成容器底部产生裂缝，或设备变形、错位等；②选材不当，如强度不够，耐腐蚀性差、规格不符等；③布置不合理，如压缩机和输出管没有弹性连接，因振动而使管道破裂；④选用机械不合适，如转速过高、耐温、耐压性能差等；⑤选用计测仪器不合适；⑥储罐、贮槽未加液位计，反应器(炉)未加溢流管或放散管等。

(2)设备原因。

①加工不符合要求，或未经检验擅自采用代用材料；②加工质量差，特别是不具有操作证的焊工焊接质量差；③施工和安装精度不高，如泵和电机不同轴、机械设备不平衡、管道连接不严密等；④选用的标准定型产品质量不合格；⑤对安装的设备没有按<机械设备安装工程及验收规范)进行验收；⑥设备长期使用后未按规定检修期进行检修，或检修质量差造成泄漏；⑦计测仪表未定期校验，造成计量不准；⑧阀门损坏或开关泄漏，又未及时更换；⑨设备附件质量差，或长期使用后材料变质、腐蚀或破裂等。

(3)管理原因。

①没有制定完善的安全操作规程；②对安全漠不关心，已发现的问题不及时解决；③没有严格执行监督检查制度；④指挥错误，甚至违章指挥；⑤让未经培训的工人上岗，知识不足，不能判断错误；⑥检修制度不严，没有及时检修已出现故障的设备，使设备带病运转。

3)泄漏后果泄漏一旦出现，其后果不单与物质的数量、易燃性、毒性有关，而且与泄漏物质的相态、压力、温度等状态有关。

这些状态可有多种不同的结合，在后果分析中，常见的可能结合有4种：·常压液体；·加压液化气体；·低温液化气体；·加压气体。

泄漏物质的物性不同，其泄漏后果也不同。

(1)可燃气体泄漏。

可燃气体泄漏后与空气混合达到燃烧极限时，遇到引火源就会发生燃烧或爆炸。

泄漏后起火的时间不同，泄漏后果也不相同。

①立即起火。

可燃气体从容器中往外泄出时即被点燃，发生扩散燃烧，产生喷射性火焰或形成火球，它能迅速地危及泄漏现场，但很少会影响到厂区的外部。

②滞后起火。

可燃气体泄出后与空气混合形成可燃蒸气云团，并随风飘移，遇火源发生爆炸或爆轰，能引起较大范围的破坏。

(2)有毒气体泄漏。

有毒气体泄漏后形成云团在空气中扩散，有毒气体的浓密云团将笼罩很大的空间，影响范围大。

(3)液体泄漏。

一般情况下，泄漏的液体在空气中蒸发而生成气体，泄漏后果与液体的性质和贮存条件(温度、压力)有关。

①常温常压下液体泄漏。

这种液体泄漏后聚集在防液堤内或地势低洼处形成液池，液体由于池表面风的对流而缓慢蒸发，若遇引火源就会发生池火灾。

②加压液化气体泄漏。

一些液体泄漏时将瞬时蒸发，剩下的液体将形成一个液池，吸收周围的热量继续蒸发。

液体瞬时蒸发的比例决定于物质的性质及环境温度。

有些泄漏物可能在泄漏过程中全部蒸发。

③低温液体泄漏。

这种液体泄漏时将形成液池，吸收周围热量蒸发，蒸发量低于加压液化气体的泄漏量，高于常温常压下液体的泄漏量。

无论是气体泄漏还是液体泄漏，泄漏量的多少都是决定泄漏后果严重程度的主要因素，而泄漏量又与泄漏时间长短有关。

2．2 泄漏量的计算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，可采取等效尺寸代替；当遇到泄漏过程中压力变化等情况时，往往采用经验公式计算。

1)液体泄漏量液体泄漏速度可用流体力学的柏努利方程计算，其泄漏速度为：(1)——液体泄漏速度，kg／s；式中 QCd——液体泄漏系数，按表1选取；A——裂口面积，m2；ρ——泄漏液体密度，kg/m3；p——容器内介质压力，Pa；p——环境压力，Pa；g——重力加速度，9．8m／s2；h——裂口之上液位高度，m。

对于常压下的液体泄漏速度，取决于裂口之上液位的高低；对于非常压下的液体泄漏速度，主要取决于窗口内介质压力与环境压力之差和液位高低。

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：(2)式中 cp——液体的比定压热容，J／(kg·K)；T——泄漏前液体的温度，K；T——液体在常压下的沸点，K；H——液体的气化热，J／kg。

按式(2)计算的结果，几乎总是在0～1之间。

事实上，泄漏时直接蒸发的液体将以细小烟雾的形式形成云团，与空气相混合而吸收热蒸发。

如果空气传给液体烟雾的热量不足以使其蒸发，由一些液体烟雾将凝结成液滴降落到地面，形成液池。

根据经验，当F＞0．2时，一般不会形成液池；当F＜0．2时，F与带走液体之比有线性关系，即当F=0时，没有液体带走(蒸发)；当F=0．1时，有50％的液体被带走。

2)气体泄漏量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。

当式(3)成立时，气体流动属音速流动：(3)当式(4)成立时，气体流动属亚音速流动：(4)式中 p——容器内介质压力，Pa；p——环境压力，Pa；k——气体的绝热指数，即比定压热容cp 与比定容热容cV之比。

气体呈音速流动时，其泄漏量为：(5)气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：(6)上两式中，Cd——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0．90；Y——气体膨胀因子，它由下式计算：(7)M——分子量；ρ——气体密度，kg/m3；R——气体常数，J／(mol·K)；T——气体温度，K。

当容器内物质随泄漏而减少或压力降低而影响泄漏速度时，泄漏速度的计算比较复杂。

如果流速小或时间短，在后果计算中可采用最初排放速度，否则应计算其等效泄漏速度。

3)两相流动泄漏量在过热液体发生泄漏时，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：(8)式中 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；ρ——两相混合物的平均密度，kg／m3，(9)——液体蒸发的蒸气密度，kg／m3；ρ1ρ——液体密度，kg／m3；2Fv——蒸发的液体占液体总量的比例，(10)cp——两相混合物的比定压热容，J／(kg·K)；T——两相混合物的温度，K；Tc——临界温度，K；H——体的气化热，J／kg。

当F>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Fv很小，则可近似按液体泄漏公式计算。

2．3 泄漏后的扩散如前所述，泄漏物质的特性多种多样，而且还受原有条件的强烈影响，但大多数物质从容器中泄漏出来后，都可发展成弥散的气团向周围空间扩散。

对可燃气体若遇到引火源会着火。

这里仅讨论气团原形释放的开始形式，即液体泄漏后扩散、喷射扩散和绝热扩散。

关于气团在大气中的扩散属环境保护范畴，在此不予考虑。

1)液体的扩散液体泄漏后立即扩散到地面，一直流到低洼处或人工边界，如防火堤、岸墙等，形成液池。

液体泄漏出来不断蒸发，当液体蒸发速度等于泄漏速度时，液池中的液体量将维持不变。

如果泄漏的液体是低挥发度的，则从液池中蒸发量较少，不易形成气团，对厂外人员没有危险；如果着火则形成池火灾；如果渗透进土壤，有可能对环境造成影响，如果泄漏的是挥发性液体或低温液体，泄漏后液体蒸发量大，大量蒸发在液池上面后会形成蒸气云，并扩散到厂外，对厂外人员有影响。

(1)液池面积。

如果泄漏的液体已达到人工边界，则液池面积即为人工边界围成的面积。

如果泄漏的液体未达到人工边界，则从假设液体的泄漏点为中心呈扁圆柱形在光滑平面上扩散，这时液池半径r用下式计算：瞬时泄漏(泄漏时间不超过30s)时，(11)连续泄漏(泄漏持续10min以上)时，(12)式中 r——液池半径，m；m——泄漏的液体质量，kg；g——重力加速度，9．8m／s2；p——设备中液体压力，Pa；t——泄漏时间，s。

(2)蒸发量。

液池内液体蒸发按其机理可分为闪蒸、热量蒸发和质量蒸发3种，下面分别介绍。

①闪蒸。

过热液体泄漏后，由于液体的自身热量而直接蒸发称为闪蒸。

发生闪蒸时液体蒸发速度Qt可由下式计算：(13)式中 Fv——直接蒸发的液体与液体总量的比例；m——泄漏的液体总量，kg；t——闪蒸时间，s。

②热量蒸发。

当Fv＜1或Qt＜m时，则液体闪蒸不完全，有一部分液体在地面形成液池，并吸收地面热量而气化，称为热量蒸发。

热量蒸发速度Qt按下式计算：(14)式中A——液池面积，m2；1——环境温度，K；TT——液体沸点，K；bH——液体蒸发热，J／kg；L——液池长度，m；α——热扩散系数，m2／s，见表2；K——导热系数，J／(m·K)，见表2；t——蒸发时间，s；Nu——努塞尔(Nusselt)数。