Локальные утечки, то есть количество вещества, выходящего наружу из поврежденного аппарата, можно определить по формуле
, (3.1)
где α— коэффициент расхода; f — площадь отверстия, через которое происходит истечение; v — постоянная или средняя скорость истечения вещества; ρ — плотность вещества при истечении; τ — длительность истечения.
Площадь поврежденного участка (отверстия) f определяют с учетом причин и характера повреждения и конструктивных особенностей оборудования.
Длительность истечения вещества из поврежденного аппарата τ складывается из времени от начала истечения до момента обнаружения повреждения τ1, длительности операций по прекращению утечки τ2 (закрытие задвижек, установка заглушек и т. п.) и длительности остаточного истечения τ з, т. е.
τ = τ1+τ2 + τ3. (3.2)
Следует отметить, что величина каждого отрезка времени зависит от многих факторов.
Так, время обнаружения повреждения и начала утечки τ1 зависит от характера и степени повреждения, числа и расположения рабочих мест обслуживающего персонала на производственном участке и в пункте управления производством, наличия стационарных средств контроля за технологическим процессом, чувствительности этих средств к отклонениям от норм технологического режима. При значительных повреждениях в большинстве случаев период обнаружения повреждения можно принимать равным нулю.
Длительность операций по прекращению утечки τ2 зависит от числа питающих трубопроводов, числа, расположения, вида привода и длительности срабатывания отключающих задвижек, а также численности обслуживающего персонала, его подготовленности к ликвидации аварийной ситуации. При повреждении сложных технологических установок с жесткими технологическими, связями следует учитывать время отключения всех взаимосвязанных блоков и узлов установки. Это время может измеряться часами. В простейших случаях время отключения оборудования принимают равным 15 мин при ручных операциях и 2 мин при автоматических.
Длительность остаточного истечения τз зависит от объема отсекаемого оборудования, его рабочих параметров к моменту отключения и параметров самого истечения. Длительность этого периода определяется гидродинамическим расчетом.
Скорость истечения вещества. Мгновенную скорость истечения жидкости через отверстие определяют по формуле
, (3.3)
тде g — ускорение силы тяжести; Н — напор.
Если истечение происходит из емкости только под давлением «столба жидкости (рис. 3.1, А ), то Н определяется разностью отметок от уровня жидкости до места повреждения, т. е.
Н=НЖ. (3.4)
А Б
Рис. 3.1. Истечение жидкости при локальном повреждении аппарата: А— при атмосферном давлении в аппарате; Б — при избыточном давлении в аппарате.
Если аппарат работает под избыточным давлением (рис. 3.1, Б), то
Н = Нж + р/ρжg, (3.5)
где р — рабочее избыточное давление; рж — плотность жидкости. Скорость истечения газа. Истечение газа или пара под давлением через отверстия сопровождается их политропическим расширением и происходит со звуковой или дозвуковой скоростью в зависимости от соотношения, давления окружающей среды р0, куда происходит истечение, и давления р в аппарате.
Границу между двумя режимами истечения (критическим и докритическим) обозначает критическое давление ркр, определяемое соотношением
, (3.6)
где k – показатель адиабаты.
Критическое отношение ν для одноатомных газов равно 0,489, для двухатомных 0,528, для многоатомных 0,548.
Если ро<ркр, истечение будет с дозвуковой (докритической) скоростью, определяемой по формуле
, (3.7)
где V — удельный объем газа при условиях истечения, м3/кг.
Если ро≥ркр, истечение будет происходить со звуковой (критической) скоростью, определяемой по формуле
, (3.8)
Заменяя pV на RT (по уравнению Клапейрона), получим:
, (3.9)
где R — газовая постоянная; Т — температура газа в аппарате. Последняя формула может быть упрощена. Для двухатомных газов 
; для многоатомных газов 
.
При полном разрушении аппаратов общее количество, горючего вещества (газа или жидкости) определяется по формуле:
Собщ = Gап + GТр, (3.10)
где Gап — количество вещества, находящегося в аппарате к моменту разрушения; GTP — количество вещества, подаваемого к аппарату через трубопроводы до момента их отключения.
Количество вещества в аппарате к моменту разрушения определяется исходя из емкости и степени заполнения аппарата. Количество вещества, поступающего к аварийному аппарату по трубопроводам, зависит от их размеров и расхода вещества в трубопроводах, способа обнаружения аварии и отключения трубопроводов.
Время τ, сек, в течение которого концентрация пожаровзрывоопасного вещества, поступающего в помещение, может достичь опасного предела, определяется по формуле:
τ = 0,5СНПВV/q, (3.11)
где СНПВ -- нижний концентрационный предел воспламеняемости, об.доли; V – объем помещения, м3; q – количество вещества, выходящего наружу, м3/с.
Нарастание концентраций в производственных помещениях при разливе и последующем испарении легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) происходит значительно медленнее, чем при утечке газов.
4. Задача. Определить, в течение какого времени может образоваться взрывоопасная концентрация в помещении компрессорной станции объемом V, м3, если произошла авария трубопровода с взрывопожароопасным (ВПО) веществом. Диаметр трубопровода d, мм, давление ВПО вещества P, МПа, температура ВПО вещества t, oС. В период аварии вентиляция не работала.
Исходные данные:
| Параметры | Варианты | |||||||||
| Вид ВПО | аммиак | ацетилен | бутан | водород | пропан | сероводород | этан | метан | водород | ацетилен |
| Объем помещения, м3 | ||||||||||
| Диаметр трубопровода, мм | ||||||||||
| Давление ВПО газа, МПа | 2,2 | 2,4 | 2,6 | 2,8 | 3,0 | 3,1 | 3,3 | 3,7 | 3,9 | 4,2 |
| Температура ВПО газа, 0C | ||||||||||
| Нижний концентрационный предел ВПО газа, % | 0,15 | 0,025 | 0,018 | 0,0412 | 0,023 | 0,043 | 0,029 | 0,0528 | 0,0412 | 0,025 |
| Молекулярная масса ВПО газа | 17,03 | 26,04 | 58,12 | 2,016 | 44,1 | 34,08 | 30,07 | 16,04 | 2,016 | 26,014 |
ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ (Оформить аналогично):
Дано: (вариант X)
ВПО – этилен;
V = 4200 м3,
d = 100 мм,
P = 4 МПа,
t = 40 0C;
СНПВ = 3,1 % (40 г/м3) (для этилена),
М=28.
Для всех вариантов давление атмосферы Р0=0,1 МПа.
Найти:
τ -?
Решение.
1.Определим скорость истечения газа из трубы по формуле (3.6):
Po/P=0,1 МПа/4 МПа =0,025 < vкр = 0,528 (для двухатомных газов).
2. Следовательно, определяем скорость истечения газа из поврежденного оборудования по формуле:
= 3,34((848*Tраб)/М)0,5=3,34(848*(273+40)/28)0,5=324 м/с.
3. Количество вещества q, м3/с, поступающего в помещение определяется по формуле:
q = υ*F = υ*(π*d2)/4 = 324*(3,14*(0,1)2)/4 = 2,55 м3/с.
4.Тогда время, в течение которого концентрация может достичь взрывоопасного предела определяется по формуле (3.11).
τ = 0,5СНПВV/q = (0,5*3,1*4200)/(100*2,55) = 25,5 с.
В выводах написать ответ и рекомендации.
Рекомендации
Опасность аварийных утечек веществ можно снизить быстрым отключением поврежденных участков или устройством соответствующих преград (для жидкостей).
При отсутствии автоматических устройств, ограничивающих выход жидкости наружу из поврежденного трубопровода или аппарата, и при невозможности использования задвижек ручного действия прибегают к созданию противодавления путем подачи к месту повреждения какого-либо негорючего вещества (воды, негорючего газа и т. п.). Так, при аварии трубопровода с горючей жидкостью или сжиженным газом можно подключиться к трубопроводу до места (или после места) повреждения и закачивать воду, создавая давление, несколько большее рабочего давления горючей жидкости. В этом случае вода оттеснит горючую жидкость и сама будет выходить через повреждение.
Для ограничения свободного растекания горючих жидкостей при повреждениях и авариях аппаратов устраивают обвалования, стены, бортики, пороги, лотки и т. п. Так, резервуары и группы резервуаров с огнеопасными жидкостями и сжиженными газами ограждаются (с учетом рельефа местности) земляным валом или несгораемой стеной, рассчитываемой на гидростатическое давление разлившихся жидкостей. Группы аппаратов емкостного типа (электродегидраторы, отстойники и т. п.) также ограждаются валом или стеной.
Отдельно стоящие резервуары с горючими жидкостями и сжиженными газами, а также резервуарные парки располагают преимущественно на более низких отметках территории по отношению к промышленным установкам, предприятиям и населенным пунктам. Если же резервуары размещены на более высоких отметках по отношению к смежным объектам и находятся от них на расстоянии, меньшем установленного, предусматривают сооружение одного из следующих дополнительных защитных устройств: второго земляного вала или ограждающей стены; отводных каналов (траншей); открытого земляного амбара
Чтобы жидкость не попадала через дверные проемы из помещения наружу или в смежные помещения, устраивают пороги с пандусами.
Растекание излившейся на территории жидкости может быть ограничено также устройством лотков, желобов и канав, располагаемых с учетом уклона местности.