"Руководство по безопасности "Методика оценки последствий аварий на взрывопожароопасных химических производствах"
(утв. Приказом Ростехнадзора от 20.04.2015 N 160)

1. Руководство по безопасности "Методика оценки последствий аварий на взрывопожароопасных химических производствах" (далее - Руководство) разработано в целях содействия соблюдению требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств", утвержденных Приказом Ростехнадзора от 11 марта 2013 г. N 96 (зарегистрирован Минюстом России 16 апреля 2013 г., регистрационный N 28138), требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Общие требования к обоснованию безопасности опасного производственного объекта", утвержденных Приказом Ростехнадзора от 15 июля 2013 г. N 306 (зарегистрирован Минюстом России 20 августа 2013 г., регистрационный N 29581), и требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила безопасности химически опасных производственных объектов", утвержденных Приказом Ростехнадзора от 21 ноября 2013 г. N 559 (зарегистрирован Минюстом России 31 декабря 2013 г., регистрационный N 30995).

2. Настоящее Руководство содержит рекомендации к расчетам зон распространения опасных веществ в атмосфере и оценке параметров воздушных ударных волн при взрывах ТВС, образующихся в атмосфере при промышленных авариях, для обеспечения требований промышленной безопасности при проектировании, строительстве, капитальном ремонте, техническом перевооружении, реконструкции, эксплуатации, консервации и ликвидации опасных производственных объектов химических производств.

3. Организации, осуществляющие оценку последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей, могут использовать иные обоснованные способы и методы, чем те, которые указаны в настоящем Руководстве.

4. В Руководстве используют сокращения, обозначения, а также термины и определения, приведенные в Приложениях N 1 и 2 к настоящему Руководству.

5. Руководство распространяется на опасные производственные объекты, на которых обращаются взрывопожароопасные вещества.

6. При количественной оценке последствий аварий на взрывопожароопасных химических производствах рекомендуется проводить:

а) определение количества опасного вещества, участвующего в создании поражающих факторов аварии;

б) определение количественных параметров, характеризующих действие поражающих факторов (давление и импульс для ударных волн, интенсивность теплового излучения для пламени, размеры пламени и зоны распространения высокотемпературной среды при термическом воздействии, дальность дрейфа облака ТВС до источника зажигания);

в) сравнение рассчитанных количественных параметров с критериями поражения (разрушения).

7. Для определения количества опасного вещества, участвующего в создании поражающих факторов аварии, рекомендуется учитывать деление технологического оборудования и трубопроводов на изолируемые запорной арматурой секции (участки); интервал срабатывания и производительность систем аварийного сброса и опорожнения (в том числе на факел); влияние волновых гидродинамических процессов на режим истечения опасного вещества для протяженных трубопроводных систем (длиной более 500 м).

8. Оценку возможных последствий аварий рекомендуется проводить на основе методических документов, указанных в таблице N 1.

9. Для более точного расчета, а также расчета последствий аварий с выбросом опасных веществ и взрывом облака ТВС в помещениях рекомендуется использовать методы вычислительной гидродинамики в соответствии с разделом III настоящего Руководства.

10. Для моделирования распространения опасных веществ рекомендуется проводить численное интегрирование системы уравнений в частных производных, представимых в виде уравнений (1 - 5).

Уравнение сохранения массы:

Уравнение сохранения импульса:

где - тензор напряжений;

F_w,i - сопротивление потока стенкам;

F_o,i - сопротивление потока препятствиям, чей размер меньше одной ячейки вычислительной сетки:

.

Уравнение переноса для энтальпии:

Уравнение переноса для массовой доли топлива:

Уравнение переноса для доли смешения:

11. Турбулентность рекомендуется моделировать по модели , которая состоит из двух уравнений, одно для кинетической энергии турбулентности (6), а второе для диссипации кинетической энергии турбулентности (7).

Уравнение турбулентной кинетической энергии:

Уравнение скорости диссипации турбулентной кинетической энергии:

12. Тензор турбулентных вязких напряжений, используемый в уравнении (2), рекомендуется определять следующим образом:

где эффективная вязкость определяется следующим образом:

где - турбулентная или вихревая вязкость.

13. Вклад сдвиговой турбулентности G_s, движения поверхностей G_w, гравитационной турбулентности G_b и препятствий, чей размер меньше одной ячейки G_o, в образование кинетической энергии турбулентности рекомендуется представлять в виде:

где

14. Диссипацию турбулентной энергии рекомендуется описывать уравнением:

где модель плавучести определяется следующим образом:

Для моделей с вихревой вязкостью тензор напряжений Рейнольдса определяется следующим образом:

В уравнениях (10) - (15) используются константы, сведения о которых приведены таблицах N 2 и 3.

15. У поверхности земли рекомендуется учитывать эффекты пограничного слоя. Характеристический масштаб в приграничном слое определяется по формуле:

где и T₀ - плотность и температура среды;

C_p - изобарная теплоемкость;

k - кинетическая энергия турбулентности;

g - гравитационная постоянная;

- поток тепла от поверхности;

u^* - скорость трения.

Масштаб Монина - Обухова (таблица N 4) является мерой стабильности атмосферных пограничных слоев.

16. Масштаб Монина - Обухова рекомендуется оценивать с помощью классов по Паскуиллу, которые являются методом классификации количества турбулентности в атмосфере.

Распределение скорости по высоте:

Скорость сдвига:

где определяется по формуле:

где:

17. В таблице N 5 приводятся параметры, необходимые для расчета скорости, k и в пограничных слоях:

По приведенным данным из таблицы N 5 масштаб Монина - Обухова рассчитывается следующим образом (21):

18. Для неустойчивых пограничных слоев (A, B и C) параметры рекомендуется рассчитывать по формулам:

где - скорость передачи тепла:

где H - коэффициент теплопередачи, плотность и теплоемкость C_p воздуха получены при температуре T₀ и P₀ плотности окружающей среды.

19. Для нейтральных и устойчивых пограничных слоев:

20. Ламинарную скорость пламени смеси горючих веществ рекомендуется оценивать по формулам (27) - (28).

Зависимость скорости ламинарного горения от давления:

Для квазиламинарного режима горения:

где R - газовая постоянная для конкретного вещества или смеси:

где R_u - универсальная газовая постоянная;

M - молярная масса.

21. Турбулентную скорость пламени рекомендуется определять по формуле:

22. Скорость пламени рекомендуется определять по следующему соотношению:

23. Коэффициент диффузии из уравнения переноса топлива определяется по формуле (32):

Безразмерную скорость реакции и коэффициент диффузии можно определить по следующим соотношениям:

где - длина контрольного объема в первом слое над поверхностью земли;

l_LT - перемешивание.

При заданном пределе затухания получено следующее соотношение между коэффициентом диффузии D и безразмерной скоростью реакции W:

где:

Скорость реакции топлива моделируется следующим образом:

где - функция Хевисайда.

25. Примеры моделирования аварий с использованием методов вычислительной гидродинамики приведены в Приложении N 3 к настоящему Руководству.

В настоящем Руководстве используются следующие обозначения и сокращения:

ОВ - опасное вещество;

ТВС - топливно-воздушная смесь;

- объемная пористость;

- поверхностная пористость в i-м направлении;

- показатель степени давления для ламинарного горения;

- дельта функция, , если i = j, и , если i /= j;

- функция Хевисайда, тэта-функция; , если a >= b и , если a < b;

- диссипация турбулентной кинетической энергии, м²с^-3;

- доля компонента смеси;

- динамическая вязкость, Па·с;

- динамическая турбулентная вязкость, Па·с;

- эффективная вязкость, Па·с, ;

P - плотность, кг·м^-3;

- плотность окружающей среды, кг·м^-3;

, , , , , - турбулентные числа Прандтля - Шмидта;

- компонента тензора напряжений, H·м^-2;

- прогрессная переменная, локализующая фронт пламени,

- предел затухания;

- скорость передачи тепла;

- длина контрольного объема в первом слое над поверхностью земли;

, , , - константы модели турбулентности, как правило, , , , ;

C_p - изобарная теплоемкость воздуха;

- вектор ускорения свободного падения;

g_i - компонента вектора ускорения свободного падения;

g - гравитационная постоянная;

f - коэффициент, характеризующий турбулизацию от препятствий меньшего размера, чем размер расчетной сетки;

F_w,i - сопротивление потока стенкам;

F_o,i - сопротивление потока препятствиям, чей размер меньше одной ячейки вычислительной сетки;

h - энтальпия, Дж·кг^-1;

H_s - поток тепла от поверхности земли;

H - коэффициент теплопередачи;

k - кинетическая турбулентная энергия, м²·с^-2;

L - масштаб Монина - Обухова, м;

l_LT - перемешивание;

M - молярная масса;

m - масса, кг;

- скорость изменения массы, кг·с^-1;

p - абсолютное давление, Па;

P₀ - среднее давление, Па;

- член, описывающий диссипацию кинетической турбулентной энергии;

P_k - член, описывающий генерацию кинетической турбулентной энергии;

Q - теплота, Дж;

- скорость потока тепла, Дж·с^-1;

R - газовая постоянная смеси, Дж·кг^-1·К;

R_u - универсальная газовая постоянная, Дж·кг^-1·К;

R_fuel - скорость реакции топлива, кг·м^-3·с^-1;

S_L - ламинарная скорость пламени, м·с^-1;

S_T - турбулентная скорость пламени, м·с^-1;

S_QL - квазиламинарная скорость пламени, м·с^-1;

t - время, с;

T_a - температура окружающей среды, К;

- вектор скорости;

u_i - компонент вектора скорости, м/с;

u^* - динамическая скорость (скорость сдвига), м/с;

U₀ - характеристическая скорость, м/с;

V - объем, м^-3;

x_j - линейная координата, м;

Y - массовая доля;

z - высота над землей, м;

z₀ - коэффициент шероховатости, м.

В настоящем Руководстве используются следующие термины с соответствующими определениями:

авария - разрушение сооружений и (или) технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, неконтролируемые взрыв и (или) выброс опасных веществ;

анализ риска аварии - процесс идентификации опасностей и оценки риска аварии на опасном производственном объекте для отдельных лиц или групп людей, имущества или окружающей природной среды;

взрыв - неконтролируемый быстропротекающий процесс выделения энергии, связанный с физическим, химическим или физико-химическим изменением состояния вещества, приводящий к резкому динамическому повышению давления или возникновению ударной волны, сопровождающийся образованием сжатых газов, способных привести к разрушительным последствиям;

обоснование безопасности - документ, содержащий сведения о результатах оценки риска аварии на опасном производственном объекте и связанной с ней угрозы, условия безопасной эксплуатации опасного производственного объекта, требования к эксплуатации, капитальному ремонту, консервации и ликвидации опасного производственного объекта;

опасные вещества - воспламеняющиеся, окисляющие, горючие, взрывчатые, токсичные, высокотоксичные вещества и вещества, представляющие опасность для окружающей природной среды, указанные в приложении 1 к Федеральному закону от 21 июля 1997 г. N 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов".

Пример 1

В результате полного разрушения емкости произошел выброс пропана в газовой фазе. Скорость ветра 4 м/с, температура окружающей среды 20 °C, класс устойчивости атмосферы по Паскуиллу - F. На расстоянии 10 м по направлению ветра от емкости находится непроницаемое препятствие высотой 3 м. На рис. 3-1 приведены профили распространения облака пропана в различные моменты времени.

Пример 2

В результате полного разрушения емкости произошел выброс пропана в газовой фазе. Скорость ветра 4 м/с, температура окружающей среды 20 °C, класс устойчивости атмосферы по Паскуиллу - F. На расстоянии 10 м по направлению ветра от емкости находится наклонная вверх поверхность. На рис. 3-2 приведены профили распространения облака пропана в различные моменты времени.

Пример 3

В результате полного разрушения емкости произошел выброс пропана в газовой фазе. Скорость ветра 4 м/с, температура окружающей среды 20 °C, класс устойчивости атмосферы по Паскуилу - F. Емкость расположена на возвышенности в 10 м от наклонной вниз поверхности. На рис. 3-3 приведены профили распространения облака пропана в различные моменты времени.

Пример 4

В прямоугольном ангаре, заполненном трубами, произошел взрыв ТВС. На расстоянии 10 м и 25 м от ангара расположены квадратные препятствия. На рис. 3-4 приведены распределения давления при взрыве облака ТВС. На рис. 3-5 приведены распределения продуктов горения при взрыве облака ТВС.

Пример 5

В загроможденном производственном модуле произошел взрыв ТВС.

Параметры модуля: 25,5 x 20,5 x 5,5 м

Объем модуля: 2875 м³

На южной и восточной стенах расположены легкосбрасываемые конструкции, которые составляют 62 - 68% площади соответствующей боковой стены. На южной стороне их площадь составляет 76,75 м², а на восточной - 87 м².

Легкосбрасываемые конструкции срабатывают при избыточном давлении 0,05 атм.

Загроможденность 1 (неравномерная), загроможденность 2 (равномерная);

Координаты места воспламенения 1: (6;5,5;3); 2: (12,10,3); 3: (20;15;3).