事故后果模拟分析

2.2 事故后果模拟分析法
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的前提下按理想的情况建立的，有递增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。

2.2.1 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，后果分析由泄漏分析开始。

2.2.1.1 泄漏情况分析
2.1.1.1.1 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，火炬燃烧装置或放散管等。

⑴管道。

它包括管道、法兰和接头，其典型情况和裂口尺寸分别取管径
的20%- 100% 20痢20%- 100%
⑵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%
⑶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%。

⑷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%
⑸压力容器或反应器。

包括化工生产中常用的分离器、气体洗涤器、反
应釜、热交换器、各种罐和容器等。

其常见的此类泄漏情况和裂口尺寸为：
①容器破裂而泄漏，裂口尺寸取容器本身尺寸；
②容器本体泄漏，裂口尺寸取与其连接的粗管道管径的100%
③孔盖泄漏，裂口尺寸取管径的20%
④喷嘴断裂而泄漏，裂口尺寸取管径的100%
⑤仪表管路破裂泄漏，裂口尺寸取管径的20%- 100%
⑥容器内部爆炸，全部破裂。

⑹泵。

其典型泄漏情况和裂口尺寸为：
①泵体损坏泄漏，裂口尺寸取与其连接管径的20%-100%
②密封压盖处泄漏，裂口尺寸取管径的20%
⑺压缩机。

包括离心式、轴流式和往复式压缩机，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：
①压缩机机壳损坏而泄漏，裂口尺寸取与其连接管道管径的20%- 100%
②压缩机密封套泄漏，裂口尺寸取管径的20%
⑻储罐。

露天储存危险物质的容器或压力容器，也包括与其连接的管道和辅助设备，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：
①罐体损坏而泄漏，裂口尺寸为本体尺寸；
②接头泄漏，裂口尺寸为与其连接管道管径的20%-100%
③辅助设备泄漏，酌情确定裂口尺寸。

⑼加压或冷冻气体容器。

包括露天或埋地放置的储存器、压力容器或运输槽车等，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：
①露天容器内部气体爆炸使容器完全破裂，裂口尺寸取本体尺寸；
②容器破裂而泄漏，裂口尺寸取本体尺寸；
③焊接点（接管）断裂泄漏，取管径的20%- 100%
⑽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，泄漏主要发生在筒体和多通接头部位，裂口尺寸取管径的20%- 100%
表2-1 典型泄漏情况和裂口尺寸取值表
2.1.1.1.2 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四类：
⑴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，如压缩机和输出管道没有弹性连接，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、储槽未加液位计，反应器（炉）未加溢流管或放散管等。

⑵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，如泵和电动机不同轴，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对安装的设备未按《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。

⑶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。

⑷人为失误
①误操作，违反操作规程；
②判断失误，如记错阀门位置或开错阀门；
③擅自离岗；
④思想不集中；
⑤发现异常现象不知如何处理；
2.1.1.1.3 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：
①常压液体；
②加压液化气体；
③低温液化气体；
④加压气体。

泄漏物质的物性不同，其泄漏后果也不同。

⑴可燃气体泄漏
可燃气体泄漏后与空气混合达到爆炸极限时，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泄后起火。

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。

⑵有毒气体泄漏
有毒气体泄漏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。

⑶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储存条件(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，液体由于持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间蒸发，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。

2.2.1.2 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) 液体泄漏计算
液体泄漏速度可用流体力学的伯努利方程计算，其泄漏速度为：
Q o= C d A p 2 P Po2gh \ p
Q二CA p (2[p+P 0]/ p +2gh)1/2(1) 式中Q o --------- 液体泄漏速度，kg/s ;
C d――液体泄漏系数，按表2-1选取；
A――裂口面积，m；
p ---泄漏液体密度，您/ m3；
p——容器内介质压力，Pa;
p o ------- 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，主要取决于容器内介质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，而容器内剩下液体的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：F二Cp(T-T°)/H (2) 式中Cp 液体的定压比热，J / kg • K；
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；
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蒸发。

如果空气传给液体烟雾的热量不足以使其蒸发，有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 V 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%勺液体被带走。

(2) 气体泄漏量计算气体从裂口泄漏勺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：
p0/p < [2/(k+1 ) ]k/(k-1)(3) 当式( 4)成立时，气体流动属亚音速流动：
P0/P >[2/(k+1 ) ]k/(k-1)(4) 式中p。

、p——符号意义同前；
k --- 气体的绝热指数，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：
Q= GA p [ (Mk/RT x( 2/(k+1) ) k+1/(k-1) ]1/2(5) 气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：
Q= YCA p [ (Mk/RT)X( 2/(k+1) ) k+1/(k-1) ]1/2(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：
Y= { (1/(k -1) ) ((k+1)/2 ) k+1/k-1(p°/p ) 2/k[1- (p°/p ) (k-1)/k ]} 1/2(7) M --- 分子量；
p ――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 则应计算等效泄漏速度。

(3) 两相流动泄漏量计算 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：
Q 0= C d A[2 p (p-p c )] 1/2
式中Q ――两相流动混合物泄漏速度，kg/s ;
C d ――两相流动混合物泄漏系数，可取 0.8 ; A ――裂口面积， m 2
； p ――两相混合物的压力， Pa ； p c ――临界压力，Pa,可取p c = 0.55Pa ;
p ——两相混合物的平均密度，kg/m 3
，它由下式计算：
p = 1/ (Fv/ p 1
+(1-Fv)/ p 2
)
液体蒸发的蒸气密度, kg/m 3
；
p 2
―― 液体密度, kg/m 3
；
Fv ——蒸发的液体占液体总量的比例，它由下式计算： Fv = C p ( T －T c ) /H
C p ――两相混合物的定压比热,
J/kg ?K ；
两相混合物的温度, K ； 临界温度, K ；
H ―― 液体的气化热, J/g 。

当F > 1时，表面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。

2.2.1.3 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气扩 散。

对可燃气体若遇到引火源会着火。

这里仅讨论气团圆形释放的开始形式, 即液体泄漏后扩散、喷射扩散和绝热扩散。

关于气团在大气中扩散属环境保
9)
10)
T c
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。

如果泄漏的液体时是低挥发度的，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。

如果泄漏的时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对扩散到厂外，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，则将假设液体的泄漏点为中心呈扁圆柱形在光滑表面上扩散，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：
一如才(11 np
连续泄漏(持续泄漏10min以上)时：
r =( 32gmf/ n p) 1/4(12) 上述两式中：
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三种。

下面分别
介绍。