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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
序号
设备
典型泄漏情况
裂口尺寸取值
1
管道
包括管道、法兰和接头
管道泄漏
管径的20%~100%
法兰泄漏
管径的20%
接头泄漏
2
绕性连接器
包括软管、波纹管和铰接器
连接器本体破裂泄漏
接头处的泄漏
连接装置损坏泄漏
管径的100%
3
过滤器
由过滤器本体、管道、滤网等组成
本体泄漏
滤网泄漏
4
阀
阀壳体泄漏
阀盖泄漏
阀杆损坏泄漏
5
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
容器破裂而泄漏
容器本身尺寸
容器本体泄漏
与其连接的粗管道管径的100%
孔盖泄漏
喷嘴断裂而泄漏
仪表管路破裂泄漏
容器内部爆炸
全部破裂
6
泵
泵体损坏泄漏
与其连接管径的20%~100%
密封压盖处泄漏
7
压缩机
包括离心式、轴流式和往复式压缩机
压缩机机壳损坏泄漏
压缩机密封套泄漏
8
储罐
露天储存危险物质的容器或压力容器
罐体损坏而泄漏
裂口尺寸为本体尺寸
与其连接管道管径的20%~100%
辅助设备泄漏
酌情确定裂口尺寸
9
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
露天容器内部气体爆炸使容器完全破裂
本体尺寸
焊接点(接管)断裂泄漏
10
火炬燃烧器或放散管
包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗涤器和分离罐等
筒体和多通接头部位泄漏
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:
Q0=CdAρ(2[p+P0]/ρ+2gh)1/2
(1)
式中Q0——液体泄漏速度,kg/s;
Cd——液体泄漏系数,按表2-1选取;
A——裂口面积,m2;
ρ——泄漏液体密度,㎏∕m3;
p——容器内介质压力,Pa;
p0——环境压力,Pa;
g——重力加速度,9.8m∕s2;
h——裂口之上液位高度,m;
表2-2液体泄漏系数Cd
雷诺数(Re)
裂口形状
圆形(多边形)
三角形
长方形
>100
0.65
0.60
0.55
≤100
0.50
0.45
0.40
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=Cp(T-T0)/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<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)气体泄漏量计算
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:
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p0、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:
Q0=CdAρ[(Mk/RT)×
(2/(k+1))k+1/(k-1)]1/2(5)
气体呈亚音速流动时,其泄漏量为:
Q0=YCdAρ[(Mk/RT)×
(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(p0/p)2/k[1-(p0/p)(k-1)/k]}1/2(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:
Q0=CdA[2ρ(p-pc)]1/2(8)
式中Q0——两相流动混合物泄漏速度,kg/s;
Cd——两相流动混合物泄漏系数,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,它由下式计算:
ρ=1/(Fv/ρ1+(1-Fv)/ρ2)(9)
ρ1——液体蒸发的蒸气密度,kg/m3;
ρ2——液体密度,kg/m3;
Fv——蒸发的液体占液体总量的比例,它由下式计算:
Fv=Cp(T-Tc)/H(10)
Cp——两相混合物的定压比热,J/kg•K;
T——两相混合物的温度,K;
Tc——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:
(11)
连续泄漏(持续泄漏10min以上)时:
r=(32gmt3/πp)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。
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Q1可由下式计算:
Q1=Fv•m/t(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Q1按下式计算:
(14)
式中A1——液池面积,㎡;
T0——环境温度,K;
Tb——液体沸点,K;
H——液体蒸发热,J/kg;
L——液池长度,m;
a——热扩散系数,㎡/s,见表;
K——导热系数,J/m·
K,见表;
t——蒸发时间,s;
Nu——努舍尔特(Nusselt)数。
表示对流传热系数的准数。
Nu=C(Gr*Pr)n=C*λ/l*(CpβgΔtl3ρ2/[λμ])n=C*(Cpβg[T0-Ta]l3ρ2/[Kμ])n*λ/l
β——体积膨胀系数;
K-1;
Ta——液体温度;
T0——地面温度;
μ——粘度;
mPa·
s
ρ——液体密度;
kg/m3
表2-3某些地面的热传递性质
地面情况
K/(J·
m-1·
K-1)
a/(㎡·
s-1)
水泥
土地(含水率8%)
干涸土地
湿地
砂砾地
1.1
0.9
0.3
0.6
2.5
1.29×
10-7
4.3×
2.3×
3.3×
11.0×
表2-2-1C、n取值范围
(Gr*Pr)范围
C
N
<104
104-109
109-1012
1.36
0.59
0.10
1/5
1/4
1/3
③质量蒸发:
当地面传热停止时,热量蒸发终止,转而由液池表面之上气流运动使液体蒸发,称为质量蒸发。
其蒸发速度Q1为:
(15)
式中a——分子扩散系数,㎡/s;
Sh——舍伍德(sherwood)数;
性质:
是反映包含有待定传质系数的无因次数群,类似于传热中的努塞特数,以符号Sh或Nsh表示。
它是由三个物理量组成,即Sh=k′L/DAB。
式中:
k′为传质系数,m/s;
L为特性尺寸,m;
DAB为溶质A在溶剂中B中的特性系数,m2/s。
时
而
A——液池面积,m2;
L——液池长度,m;
ρ1——液体的密度,㎏/m3。
2)喷射扩散
气体泄漏时从裂口喷出,形成气体喷射。
大多数情况下气体直接喷出后,其压力高于周围环境大气压力,温度低于环境温度。
在进行气体喷射计算时,应以等价喷射孔口直径计算。
等价喷射的孔口直径下式计算:
(16)
式中D——等价喷射孔径,m;
D0——孔口孔径,m;
ρ0——泄漏气体的密度,㎏/m3;
ρ——周围环境条件下气体的密度,㎏/m3。
如果气体泄漏能瞬时间达到周围环境的温度、压力状况,即ρ0=ρ,则D=D0。
(1)喷射的浓度分布
在喷射轴线上距孔口x处的气体浓度C(x)为:
(17)
式中b1、b2——分布函数,其表达式如下:
b1=50.5+48.2ρ-9.95ρ2
b2=23+41ρ
其余符号意义同前。
如果把式(17)改写成x是C(x)的函数形式,则给定某浓度值C(x),就可算出具有该浓度的点至孔口的距离x。
在过喷射轴线上点x且垂直于喷射轴线的平面内任一点处的气体浓度为:
(18)
式中C(x,y)——距裂口距离x且垂直于喷口轴线的平面内Y点的气体浓度,㎏/m3;
C(x)——喷射轴线上距裂口x处的气体浓度,㎏/m3;
b2——分布参数,同前;
y——目标点到喷射轴线的距离,m。
(2)喷射轴线上的速度分布
喷射速度随着轴线距离增大而减少,直到轴线上的某一点喷射速度等于风速为止,该点称为临界点。
临界点以后的气体运动不再符合喷射规律。
沿喷射轴线上的速度分布由下式得出:
(19)
式中ρ0——泄漏气体的密度,㎏/m3;
ρ——周围环境条件下气体的密度,㎏/m3;
D——等价喷射孔径,m;
b1——分布参数,同前;
x——喷射轴线上距裂口某点的距离,m;
V(x)——喷射轴线上距裂口x处一点的速度,m/s;
V0——喷射初速度,等于气体泄漏时流出裂口时的速度,m/s,按下式计算:
(20)
Q0——气体泄漏速度,㎏/s;
Cd——气体泄漏系数;
D0——裂口直径,m;
当临界点处的浓度小于允许浓度(如可燃气体的燃烧下限或者有害气体最高允许浓度)时,只需按喷射来分析;
若该点浓度大于允许浓度时,则需要进一步分析泄漏气体在大气中扩散的情况。
(3)绝热扩散
闪蒸液体或加压气体瞬时泄漏后,有一段快速扩散时间,假定此过程相当快以致在混合气团和周围环境之间来不及热交换,则称此扩散为绝热扩散。
根据TNO(1997年)提出的绝热扩散模式,泄漏气体(或液体闪蒸形成的蒸汽)的气团呈半球形向外扩散。
根据浓度分布情况,把半球分成内外两层,内层浓度均匀分布,且具有50%的泄漏量;
外层浓度呈高斯分布,具有另外50%的泄漏量。
绝热扩散过程分为两个阶段,第一阶段气团向外扩散至大气压力,在扩散过程中气团获得动能,称为“扩散能”;
第二阶段,扩散能再将气团向外推,使紊流混合空气进入气团,从而使气团范围扩大。
当内层扩散速度降到一定值时,可以认为扩散过程结束。
(1)气团扩散能
在气团扩散的第一阶段,扩散的气体(或蒸气)的内能一部分用来增加动能,对周围大气做功。
假设该阶段的过程为可逆绝热过程,并且是等熵的。
1气体泄漏扩散能。
根据内能变化得出扩散能计算公式如下:
E=CV(T1-T2)-0.98P0(V2-V1)(21)
式中E——气体扩散能,J;
Cv——定容比热,J/㎏·
T1——气团初始温度,K;
T2——气团压力降至大气压力时的温度,K;
P0——环境压力,Pa;
V1——气团初始体积,m3;
V2——气团压力降至大气压力时的体积,m3。
2闪蒸液体泄漏扩散能
蒸发的蒸气团扩散能可以按下式计算:
E=[H1-H2-Tb(S1-S2)]W-0.98(P1-P0)V1(22)
式中E——闪蒸液体扩散能,J;
H1——泄漏液体初始焓,J/㎏;
H2——泄漏液体最终焓,J/㎏;
Tb——液体的沸点,K;
S1——液体蒸发前的熵,J/㎏·
S2——液体蒸发后的熵,J/㎏·
W——液体蒸发量,㎏;
P1——初始压力,Pa;
P0——周围环境压力,Pa;
V1——初始体积,m3。
(1)气团半径与浓度
在扩散能的推动下气团向外扩散,并与周围空气发生紊流混合。
1内层半径与浓度
气团内层半径R1和浓度C是时间函数,表达式如下:
(23)
(24)
式中t——扩散时间,s;
V0——在标准温度、压力下的气体体积,m3;
Kd——紊流扩散系数,按下式计算:
(25)
如上所述,当中心扩散速度(dR/dt)降到一定值时,第二阶段才结束。
临界速度的选择是随机的而且不稳定的。
设扩散结束时扩散速度为1m/s,则扩散结束时内层半径R1和浓度C可按下式计算:
R1=0.08837E0.3V01/3(26)
C=172.95E-0.9(27)
2外层半径与浓度。
第二阶段末气团外层的大小可根据试验观察得出,即扩散终结时外层气团半径R2由下式求得:
R2=1.456R1(28)
式中R1、R2——分别为气团内层、外层半径,m。
外层气团浓度自内层向外层呈高斯分布。
2.2.2火灾
易燃、易爆的气体及液体泄漏后遇到引火源就会被点燃而着火燃烧。
它们被点燃后的燃烧方式有池火、喷射火、火球和突发火四种。
2.2.2.1池火
可燃液体(如汽油、柴油等)泄漏后流到地面形成液池,或流到水面并覆盖水面,遇到火源燃烧而成池火。
1)燃烧速度
当液池中的可燃液体的沸点高于周围环境温度时,液体表面上单位面积的燃烧速度dm∕dt为:
(29)
式中dm/dt——单位表面积燃烧速度,kg∕m2·
s;
HC——液体燃烧热,J/kg;
Cp——液体的定压比热,J/kg·
K;
H——液体的气化热,J/kg。
当液体
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