1、2018/4/16,1,安全系统工程Safety System Engineering,2018/4/16,2,第六章典型事故影响模型与计算,2018/4/16,3,主要内容,6.1泄漏模型6.2扩散模式6.3火灾模型6.4爆炸模型6.5事故伤害的计算方法,安全系统工程,2018/4/16,4,泄漏主要包括液体泄漏、气体泄漏和两相流泄漏等,6.1 泄漏模型,6.1.1液体泄漏模型,液体泄漏量可根据流体力学中的伯努利方程计算泄漏量。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，可采用等效尺寸代
2、替；当泄漏过程中压力变化时，则往往采用经验公式。,2018/4/16,5,Q 液体泄漏速度，kg/s；Cd液体泄漏系数，按表6-1选取；A裂口面积，m2；泄漏液体密度，kg/ m3；P容器内介质压力，Pa；P0环境压力，Pag重力加速度，9.8 m/ s2；h裂口之上液位高度，m。,表6-1 液体泄漏系数Cd,2018/4/16,6,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：,Cp液体的定压比热，J/kgK；T泄漏前液体
3、的温度，K；T0液体在常压下的沸点，K；H液体的气化热，J/kg。,2018/4/16,7,6.1.2气体泄漏模型,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。,当下式成立时，气体流动属音速流动：,当下式成立时，气体流动属亚音速流动：,k气体的绝热指数（等熵指数），即定压比热Cp与定容比热CV之比。,2018/4/16,8,气体呈音速流动时，其泄漏量为：,气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：,Cg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0.90Y气体膨胀因子，它由下式计算
4、：,A裂口面积，m2；M分子量；气体密度，kg/ m3；R普适气体常数，J/molK，通常取R8.31436；T气体温度，K。,2018/4/16,9,表6-2 常用气体的绝热指数,2018/4/16,10,6.1.3两相流泄漏模型,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；两相混合物的平均密度，kg/ m3，它由下式计算：,（6-11）,2018/4/16,11,1液体蒸发的蒸气密度，kg/ m3；2
5、液体密度，kg/ m3；Mv蒸发的液体占液体总量的比例，它由下式计算：,Cp两相混合物的定压比热，J/kgK；T两相混合物的温度，K；Tc临界温度，K；Hv液体的气化热，J/kg。,当Mv 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Mv很小，则可近似按液体泄漏公式计算。,2018/4/16,12,如果管道长度和管道直径之比L/D12，先按前面介绍的方法计算纯液体泄漏速率和两相流泄漏速率，再用内插法加以修正。两相流实际泄漏速率的计算公式为：,式中，Q、Qv1和Q1分别为两相流实际泄漏速率、按式（6-11）计算出来的两相流泄漏速率和纯液体泄漏速率，kg/s。,如果管道长度和管道
6、直径之比L/D2，一般认为泄漏为纯液体泄漏。,2018/4/16,13,6.2扩散模式,根据气云密度与空气密度的相对大小，将气云分为重气云、中性气云和轻气云三类。 重气云是指气云密度显著大于空气密度的气云，这类气云将受到方向向下的负浮力（即重力）作用。 轻气云是指气云密度显著小于空气密度的气云，这类气云将受到方向向上的正浮力作用。 中性气云是指气云密度与空气密度相当的气云，这类气云将不受明显的浮力作用。 轻气云和中性气云统称为非重气云。,2018/4/16,14,图6-1 烟羽扩散模式示意图,图6-2 烟团扩散模式示意图,连续泄露源泄露物质的扩散示意图,瞬间泄露源泄露物质的扩散示意图,连续泄漏
7、源如连接在大型储罐上的管道穿孔，柔性连接器处出现的小孔或缝隙、连续的烟囱排放等。,瞬间泄漏源如液化气体钢瓶破裂、瞬间冲料形成的事故排放、压力容器安全阀异常启动、放空阀门的瞬间错误开启等,2018/4/16,15,危险化学品事故扩散简化分析假设：（1）气云在平整、无障碍物的地面上空扩散；（2）气云不发生化学反应和相变反应，也不发生液滴沉降现象；（3）危险品泄漏速度不随时间变化；（4）风向为水平方向，风速和风向不随时间、地点和高度变化；（5）气云和环境之间无热量交换。,2018/4/16,16,6.2.1非重气云扩散模型,除了本节第一部分提出的那些假设外，高斯模型还使用了如下假设：（1）气云密度于
8、环境空气密度相当，气云不受浮力作用；（2）云团中心的移动速度和云羽轴向蔓延速度等于环境风速；（3）云团内部或云羽横截面上浓度、密度等参数服从高斯分布（即正态分布）。,建立如下坐标系OXYZ：其中原点O是泄漏点在地面上的正投影，X轴沿下风向水平延伸，Y轴在水平面上垂直于X轴，Z轴垂直向上延伸。,2018/4/16,17,根据高斯模型，泄漏源下风向某点（x,y,z)在t时刻的浓度用下面的公式计算。,瞬间泄漏扩散模型为：,连续泄漏扩散模型为：,2018/4/16,18,6.2.2重气云扩散模型,盒子模型用来描述危险气体近地面瞬间泄漏形成的重气云团的运动，平板模型用来描述危险气体近地面连续泄漏形成的重
9、气云羽的运动。这两类模型的核心是因空气进入而引起气云质量增加的速率方程。,1盒子模型（1）基本假设除了本节第一部分提出的那些假设外，盒子模型还使用了如下假设：重气云团为正立的坍塌圆柱体，圆柱体初始高度等于初始半径的一般。在重气云团内部，温度、密度和危险气体浓度等参数均匀分布。重气云团中心的移动速度等于环境风速。,2018/4/16,19,（2）扩散分析坍塌圆柱体的径向蔓延速度由下式确定：,（3）转变点计算 随着空气的不断进入，重气云团的密度将不断减小，重气坍塌引起的扩散将逐步让位于环境湍流引起的扩散。目前，判断重气坍塌过程终止的常用准则为准则,准则认为，如果小于或等于某个临界值（在0.0010
10、.01之间），重气坍塌引起的扩散将让位于环境湍流引起的扩散。,2018/4/16,20,2.平板模型（1）基本假设除了本节第一部分提出的那些假设外，平板模型还使用了如下假设：,重气云羽横截面为矩形，下风向距离为x米出的云羽横风向半宽b（m），垂直方向高度为 h（m）。在泄漏源点，云羽横风向半宽为高度的两倍，即b0=2h0 。重气云羽横截面内部，温度、密度和危险气体浓度等参数均匀分布。重气云羽中心的轴向蔓延速度等于环境风速。,（2）扩散分析,（3）转变点计算,2018/4/16,21,6.3 火灾模型,易燃、易爆的气体、液体泄漏后遇到引火源就会引发火灾。火灾对周围环境的应先主要在于其辐射热，火灾
11、辐射热的影响范围一般均在200m左右的近火源区域.火灾主要有三种类型，即池火灾、喷射火、固体火灾。,6.3.1池火灾,定义：可燃液体泄漏后流到地面或流到水面并覆盖水面，形成液池，遇点火源形成的火灾称为池火,1计算池直径,2燃烧速度,3火焰高度,4火焰表面热辐射通量,5目标接受热辐射强度,2018/4/16,22,6.3.2喷射火灾,加压的可燃气体泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，将形成喷射火灾，使得周围的人员和财产受到损失。,假定火焰为圆锥形，并用从泄漏处到火焰长度4/5处的点源模型来表示。,1火焰长度,2目标接受的热辐射通量,6.3.3固体火灾,固体火灾的热辐射参数按点源模型估计。此模
12、型认为火焰射出的能量为燃烧的一部分，并且辐射强度与目标至火源中心距离的平方成反比。,2018/4/16,23,6.4爆炸,爆炸是物质的一种非常急剧地物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或急剧转化成机械功的现象。根据能量释放过程的性质，爆炸分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。,物理爆炸就是物质状态参数（温度、压力、体积）迅速发生变化，在瞬间放出大量能量且对外做功的现象。其特点是在爆炸现象发生过程中，造成爆炸发生的介质的化学性质不发生变化，发生变化的仅是介质的状态参数。化学爆炸是物质由一种化学结构迅速转变为另外化学结构，在瞬间放出大量能量且对外做功的现象。其特点是在爆炸现象发生过程中，介质的
13、化学性质发生变化；形成爆炸的能源来自物质迅速发生化学变化时所释放的能量。,2018/4/16,24,核爆炸是指某些物质的原子核发生裂变反应或聚变反应，瞬间放出巨大能量而形成的爆炸现象。,6.4.1物理爆炸,物理爆炸所释放的能量与气体压力和容器的容积有关，而且与介质在容器内的物性相态相关。容积与压力相同而相态不同的介质，在容器破裂时产生的爆炸能量也不同，而且爆炸过程也不完全相同，其能量计算公式也不相同。,1. 压缩气体与蒸汽容器的爆炸能量,（1）压缩气体容器的爆炸能量,2018/4/16,25,（2）饱和蒸汽容器的爆炸能量,对于常用压力下的饱和蒸汽容器的爆炸能量可按下式计算：,式中， 蒸汽的爆炸
14、能量，kJ； 饱和蒸汽容器爆炸能量系数，kJ/m3； 蒸汽的体积，m3。,常用压力下饱和蒸汽的爆炸能量系数（k=1.135）,各种常用压力下的饱和蒸汽爆炸能量系数见下表,2018/4/16,26,2. 介质全部为液体时的爆炸能量,通常用液体加压时所作的功作为常温液体压力容器爆炸时释放的能量，计算公式如下：,2018/4/16,27,3. 液化气体和高温饱和水容器的爆炸能量,（1）液化气体容器的爆炸能量,E 过热状态下液体的爆炸能量，kJ；H1爆炸前液化气体的焓，kJ/kg； H2在大气压力下饱和液体的焓，kJ/kg；S1爆炸前饱和液体的熵，kJ/（kgK）， S2在大气压力下饱和液体的熵，kJ
15、/（kgK）； Tb介质在大气压力下的沸点，K；W饱和液体的质量，kg。,式中，,2018/4/16,28,（2）饱和水容器的爆炸能量,式中，Ew饱和水容器的爆炸能量，kJ； Cw 容器内饱和水所占的体积，m3； V 饱和水爆炸能量系数，kJ/m3。,表6-13 常用压力下饱和水的爆炸能量系数,2018/4/16,29,4. 压力容器爆炸时的冲击波能量,压力容器爆炸时，其爆炸能量以冲击波能量、破片能量和容器残余变形能量三种形式向外释放。研究表明，后两种形式所消耗的能量只占总爆炸能量的 3%15%，即爆炸能量的主要形式是冲击波。,多数情况下，冲击波低伤害、破坏作用是由超压引起的，冲击波超压对人体
16、的伤害及对建筑物的破坏作用见表6-14和表6-15。,表6-14 冲击波超压对人体的伤害作用,2018/4/16,30,表6-15 冲击波超压对建筑物的破坏作用,2018/4/16,31,冲击波的伤害、破坏作用准则有超压准则、冲量准则和超压冲量准则等。下面仅介绍超压准则。超压准则认为，只要冲击波超压达到一定值，便会对目标造成一定的伤害或破坏。,实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，目标到爆炸中心距离和炸药量若满足式（6-59）要求,则,（6-59）,（6-60）,2018/4/16,32,式中，R 目标与距爆炸中心距离，m； R0 目标与基准爆炸中心的距离，m； q 爆炸时产生冲击波所消
17、耗的能量，TNT当量，kg； q0 基准爆炸能量，TNT当量，kg； 炸药爆炸实验的模拟比； p 目标处的超压，MPa； p0基准目标处的超压，MPa。,利用式（6-59）和式（6-60）和表6-16及爆炸的炸药量或TNT当量即可计算确定各种相应距离下的超压。表6-16是1000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压。,2018/4/16,33,表6-16 1000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压,2018/4/16,34,【例6-2】设有一压缩气体储罐，容积15m3，压力1 MPa（表压），运行时容器破裂爆炸。试计算储气罐爆炸时的能量，并估算距离为10m处的冲击波超压。
18、,【解】储气罐破裂时的能量：,TNT当量：,2018/4/16,35,与1000kgTNT的模拟比为：,与模拟实验中的相当距离为：,查表6-16，用插入法求得离爆炸源10m处的冲击波超压为0.0178 MPa。由表6-14和表6-15可查出其对人员的伤害及对建筑物的破坏。,2018/4/16,36,5. 压力容器爆炸时碎片能量及飞行距离计算,（1）碎片能量的计算,式中，E 碎片的动能，J； m 碎片的质量，kg； v 碎片击中人或物体的速度，m/s。,根据有关研究，碎片击中人体时的动能在26J以上时，可致外伤；碎片击中人体时的动能在60J以上时，可致骨部外伤；碎片击中人体时的动能在200J以上
19、时，可致骨部重伤。,2018/4/16,37,（2）碎片飞行距离的计算,压力容器碎片飞离壳体时，一般具有80120m/s的初速，即使在飞离容器较远的地方也常有2030m/s的速度。 设爆炸时压力容器或碎片离地面高度为h，则压力容器或碎片平抛初速度v0与飞行距离R的关系，可由下式计算：,若压力容器爆炸时碎片或容器抛出时与地面成角，则抛初初速度 v0与飞行距离R的关系为：,2018/4/16,38,（3）碎片穿透量的计算,压力容器爆炸时，碎片常常会损坏或穿透临近的设备管道，引发二次火灾、爆炸或中毒事故。压力容器爆炸时，碎片的穿透力与碎片击中时的动能成正比：,式中，S碎片对材料的穿透量，mm； E碎
20、片击中物体时所具有的动能，J； A碎片穿透方向的截面积，mm2； Kc材料的穿透系数，见表6-17。,2018/4/16,39,表6-17 材料的穿透系数,2018/4/16,40,6.4.2 化学爆炸,1凝聚相爆炸,凝聚相含能材料爆炸能产生多种破坏效应，如热辐射、一次破片作用、有毒气体产物的致命效应，但破坏力最强，破坏区域最大的是冲击波的破坏效应，因此，凝聚相爆炸模型主要考虑冲击波的伤害作用。,2018/4/16,41,凝聚相含能材料的爆炸冲击波最大正相超压p ，可按下式计算：,2018/4/16,42,2018/4/16,43,2 蒸气云爆炸,蒸气云爆炸冲击波最大正相超压p ，可按下式计算
21、：,2018/4/16,44,2018/4/16,45,3. 沸腾液体扩展蒸气爆炸,沸腾液体扩展蒸气爆炸的主要危险是火球产生的强烈热辐射伤害。,（1）火球直径,式中，D火球直径，m； W火球中消耗的可燃物质量，kg。对单罐储存，取罐容量的50；对双罐储存，取罐容量的70；对多罐储存，取罐容量的90。,2018/4/16,46,3. 沸腾液体扩展蒸气爆炸,（2）火球持续时间,式中，t火球持续时间，s。,（3）火球抬升高度,火球在燃烧时，将抬升到一定高度。火球中心距离地面的高度H由下式估计：,2018/4/16,47,3. 沸腾液体扩展蒸气爆炸,（4）火球表面热辐射能量,假设火球表面热辐射能量是均
22、匀扩散的。火球表面热辐射能量由下式计算：,式中，SEP火球表面热辐射能量，W； 火球表面的辐射能量比； Ha火球的有效燃烧热，J/kg。,2018/4/16,48,3. 沸腾液体扩展蒸气爆炸,（4）火球表面热辐射能量,假设火球表面热辐射能量是均匀扩散的。火球表面热辐射能量由下式计算：,式中，SEP火球表面热辐射能量，W； 火球表面的辐射能量比； Ha火球的有效燃烧热，J/kg。,与储罐破裂瞬间储存物料的饱和蒸气压力P（MPa）有关：,2018/4/16,49,3. 沸腾液体扩展蒸气爆炸,对于因外部火灾引起的沸腾液体扩展蒸气爆炸事故，上式中的P值可取储罐安全阀启动压力Pv（MPa）的1.21倍，
23、即：,Ha由下式求得：,式中，Hc燃烧热，J/kg；Hv常温沸点下的蒸发热，J/kg；cp恒压比热，J/（kgK）；T火球表面火焰温度与环境温度之差，一般来说T1700K。,2018/4/16,50,3. 沸腾液体扩展蒸气爆炸,（5）视角系数,视角系数F的计算公式如下：,式中， r目标到火球中心的距离，m。,令目标与储罐的水平距离为X（m），则：,2018/4/16,51,6.5 事故伤害的计算方法,6.5.1、火灾辐射伤害计算方法,火灾通过辐射热的方式影响周围环境，当火灾产生的热辐射强度足够大时，可使周围的物体燃烧或变形，强烈的热辐射可能烧毁设备甚至造成人员伤亡等。表6-18为稳态火灾下不同
24、入射通量造成的伤害情况。,表6-18 稳态火灾下不同入射通量造成的伤害情况,2018/4/16,52,火灾的事故后果主要包括：池火灾、喷射火、沸腾液体扩展蒸气云爆炸火球、固体火灾。,1人身伤害概率计算,热辐射伤害概率方程通常使用彼得森（1990年）提出的概率方程。,皮肤裸露时的死亡几率为：,二度烧伤几率为：,6.5.1、火灾辐射伤害计算方法,2018/4/16,53,6.5.1、火灾辐射伤害计算方法,一度烧伤几率为：,式中，Pr人员伤害几率； t 人暴露在火灾热辐射下持续的时间； q人体接受的辐射强度，W/m2。,同裸露人体相比，由于服装的防护作用，人体实际接受到的热辐射强度有所减少，人体实际
25、接受的热辐射强度为：,式中，qc人体实际接受的热辐射强度，W/m2； 穿衣系数，可取0.4。,2018/4/16,54,6.5.1、火灾辐射伤害计算方法,由上述伤害几率，通过下式可得到相应的伤害概率：,2018/4/16,55,6.5.1、火灾辐射伤害计算方法,2人身伤害半径计算,（1）稳态火灾,对于池火灾、喷射火灾和固体火灾这类稳态火灾，其人身伤害半径的计算是：根据暴露时间为10s，50的概率为原则，求得导致死亡热通量q1、重伤热通量q2、轻伤热通量q3分别为81830，69522，30548，然后利用值qi反算得到人身伤害半径。,2018/4/16,56,（2）瞬间火灾,6.5.1、火灾辐
26、射伤害计算方法,计算过程是：根据火灾持续时间计算得到导致死亡、重伤和轻伤的热通量，然后利用值qi反算得到人身伤害半径。,死亡热通量：,2018/4/16,57,（2）瞬间火灾,6.5.1、火灾辐射伤害计算方法,重伤热通量：,轻伤热通量：,2018/4/16,58,（2）瞬间火灾,6.5.1、火灾辐射伤害计算方法,火灾持续时间，,式中，W火球中消耗的可燃物质量，kg。对单罐储存，取罐容量的50；对双罐储存，取罐容量的70；对多罐储存，取罐容量的90。,2018/4/16,59,3财产损失半径计算,6.5.1、火灾辐射伤害计算方法,火灾财产损失半径的计算是，通过式（6-82）计算目标接受的辐射通量
27、，然后利用值反算便可以得到财产损失半径。,（6-82）,式中，q4引燃木柴的所需的热通量，W/m2， t火灾持续时间，s。,火灾持续时间的长短与火灾类型有直接关系。,2018/4/16,60,表6-19 辐射热对周围环境的影响,6.5.1、火灾辐射伤害计算方法,2018/4/16,61,6.5.1、火灾辐射伤害计算方法,火灾持续时间的长短与火灾类型有直接关系,（1）池火灾,式中，t火灾持续时间，s； S液池最大可能的面积，m2； mf单位面积燃烧速率，kg/(m2s)。,（2）喷射火灾,式中，t火灾持续时间，s； W泄漏量，kg； m质量流速，kg/s。,2018/4/16,62,6.5.1、
28、火灾辐射伤害计算方法,火灾持续时间的长短与火灾类型有直接关系,（3）沸腾液体扩展蒸气爆炸火球,W火球中消耗的可燃物质量，kg。对单罐储存，取罐容量的50；对双罐储存，取罐容量的70；对多罐储存，取罐容量的90。,4间接财产损失,式中：N1总的死亡人数；N2总的重伤人数； N3总的轻伤人数； S间接财产损失，万元。,2018/4/16,63,6.5.2 爆炸超压伤害计算方法,爆炸事故所产生的冲击波超压会对人体和建筑物造成严重的的伤害和破坏作用。爆炸事故后果主要包括：凝聚相爆炸、物理爆炸、蒸气云爆炸。,1冲击波超压伤害概率,计算的过程是：首先通过爆炸的事故后果模型得出计算位置处的冲击波超压数值，然
29、后通过冲击波超压伤害方程确定伤害情况。,死亡几率； 死亡概率。冲击波超压与环境压力的比值；,2018/4/16,64,6.5.2 爆炸超压伤害计算方法,2人身伤害半径,（1）死亡半径R1：,WTNT燃料的TNT当量，kg；E爆源总能量，kJ；QTNTTNT的爆炸热，一般取kJ/kg。,（2）重伤半径R2：,2018/4/16,65,6.5.2 爆炸超压伤害计算方法,2人身伤害半径,（2）重伤半径R2：,由实验资料，确定,为临界重伤超压值,然后根据爆炸冲击波超压的计算公式反算，就可得到凝聚相爆炸重伤半径R2的计算公式：,2018/4/16,66,无量纲距离；,爆源总能量，kJ。,环境压力，一般取
30、,冲击波超压，,冲击波超压与环境压力的比值；,式中，,2018/4/16,67,6.5.2 爆炸超压伤害计算方法,2人身伤害半径,（3）轻伤半径R3：,由实验资料，确定,为临界重伤超压值，则,然后，根据爆炸冲击波超压的计算公式反算，就可得到凝聚相爆炸重伤半径的计算公式：,2018/4/16,68,无量纲距离；,爆源总能量，kJ。,环境压力，一般取,冲击波超压，,冲击波超压与环境压力的比值；,式中，,2018/4/16,69,3财产损失半径计算,6.5.2 爆炸超压伤害计算方法,式中，R4财产损失半径，指在冲击波作用下建筑物三级破坏半径，m； K3建筑物三级破坏系数，可取4.6。,2018/4/16,70,6.5.3 毒物泄漏伤害计算方法,毒物泄漏扩散引发中毒主要包括：非重气扩散和重气扩散。,1毒气伤害概率,2018/4/16,71,常数，取决于泄漏毒物的性质。,、,该浓度下的死亡概率。,接触毒物的时间，min；,泄漏气体的分子质量；,毒气的体积浓度，ppm；,式中，,毒气的浓度，kg/m3；,该浓度下的死亡几率；,、,
