Пример расчёта индивидуального и социального риска при аварии на топливозаправочном пункте

Рассмотрим простейший топливозаправочный пункт, в котором установлен единственный наземный резервуар с дизельным топливом. Ёмкость резервуара – 25 м³, доставка моторного топлива на ТЗП осуществляется автоцистерной объёмом 9,7 м³, продолжительность слива топлива из автоцистерны – 45 минут. Годовой оборот д/т по ТЗП – 850 т.

В 25 метрах от разгрузочной площадки автоцистерн (30 метрах от центра резервуара) расположена автомобильная мастерская, 5 работников.

Во время разгрузки автоцистерны на разгрузочной площадке находятся два человека – водитель автоцистерны и оператор ТЗП.

Оценим индивидуальный и социальный риск возможных аварий на ТЗП.

Как известно, при крупномасштабном проливе ЛВЖ на подстилающую поверхность возможны четыре исхода:

а) пожар пролива;

б) объёмный взрыв паровоздушной смеси (ПВС);

в) «огненный шар»;

г) испарение с поверхности пятна пролива без огневых последствий.

Реализация того или иного сценария определяется рядом обстоятельств, главным образом, наличием источника зажигания и его видом. Покажем, что в случае пролива дизельного топлива образование «огненного шара» даже при максимальной расчётной температуре невозможно, т.к. при этом создается объёмная концентрация паров этого вещества существенно меньше стехиометрической. Значение наибольшей температуры подстилающей поверхности в соответствии с [6, 14] принимаем равной плюс 39 °С.

Оценим величину стехиометрической концентрации С_сm паров дизельного топлива. По формуле (А.3) [5]  [5], % (об.),

где  — стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания;

n_c, n_н, n₀, n_х – число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего вещества.

Согласно [15] суммарная формула дизельного топлива «Л»-С_14,511Н_29,120.

Тогда

Оценим давление насыщенных паров Р_н дизельного топлива марки «Л» по уравнению Антуана с коэффициентами, принятыми согласно Приложению 3 [15], при расчётной температуре t_р = плюс 39 °С:

lgP_н = 5,0 - 1314/(192,5 + 39) = -0,65 => Р_н= 0,22 кПа (0,22 % об.).

Следовательно, в рассматриваемых условиях переобогащённая смесь (и даже близкая по составу стехиометрической) паров дизтоплива в облаке ПВС образоваться не сможет, поэтому образование «огненного шара» невозможно.

В общем случае в качестве источников зажигания (ИЗ) при возгораниях (взрывах) ПВС следует рассматривать [4]:

• прямой удар молнии;

• вторичное воздействие молнии;

• занос высокого потенциала;

• электрическая искра (дуга);

• термическое действие токов короткого замыкания;

• электрические искры (капли металла);

• электрические лампы накаливания общего назначения;

• искры статического электричества;

• механические (фрикционные) искры (искры от удара и трения);

• открытое пламя и искры двигателей (печей);

• нагрев веществ, отдельных узлов и поверхностей технологического оборудования.

Рассмотрим, какие из вышеперечисленных ИЗ могут стать причинами взрыва (пожара) на рассматриваемом опасном объекте:

• прямой удар молнии – возможен;

• вторичное воздействие молнии – невозможно, поскольку индукционное воздействие разряда молнии может иметь место при наличии замкнутых токопроводящих контуров, площадь которых превышает пороговую, и искровых промежутков;

• занос высокого потенциала – невозможен, поскольку это явление может возникнуть в момент удара молнии при наличии протяжённых металлических коммуникаций, не обеспеченных заземлением;

• электрическая искра (дуга) – только искры работающего стартера автомашины, если водитель начнёт запуск двигателя при наличии пролива горючего. Прочие виды электрических искр не рассматриваются, т.к. на ТЗП отсутствует электрооборудование, способное образовать искры (электропривод насоса ТРК выполнен во взрыво- (искро-) безопасном исполнении и находится внутри герметичного корпуса топливораздаточной колонки);

• термическое действие токов короткого замыкания – не учитывается, т.к. электрооборудование на рассматриваемом объекте выполнено по повышенному классу защиты, контактные соединения находятся внутри герметичного корпуса ТРК;

• электрические искры (капли металла) – в общем случае могут быть следствием тока короткого замыкания и электросварочных работ. По причинам, изложенным выше, на рассматриваемом ТЗП не учитываются;

• электрические лампы накаливания общего назначения – не учитываются, поскольку на ТЗП не используются лампы накаливания общего назначения (ЛОН) без защитного колпака. Кроме того, температура колбы лампы не может достичь температуры самовоспламенения моторного топлива;

• искры статического электричества – возможны;

• механические (фрикционные) искры (искры от удара и трения) – не учитываются, поскольку металлические наконечники топливных шлангов выполнены в искробезопасном исполнении;

• открытое пламя и искры двигателей (печей) – возможны искры из выхлопной трубы заправляемых автомобилей на заправочной площадке и невозможны на разгрузочной площадке, поскольку выхлопная труба автобензовозов в обязательном порядке оснащается искрогасителем;

• нагрев веществ, отдельных узлов и поверхностей технологического оборудования. С учётом температуры самовоспламенения дизельного топлива марки «Л» (плюс 210°С [15]), в качестве возможного теплового ИЗ следует учитывать систему выпуска отработавших газов автомобильного двигателя, наиболее горячей частью которой является приёмный коллектор. Температура этой детали в летний период может достигать плюс 400°С.

Вероятность появления ИЗ при сливе д/т можно рассчитать методами теории надёжности с использованием дерева отказов [16], с привлечением ряда экспертных оценок. В данной работе выкладки не приводятся, расчётная вероятность появления ИЗ для этой ситуации оценена величиной
7,5·10^-1 год^-1.

Площади пятен пролива по асфальтированной поверхности ТЗП с учётом коэффициента максимального заполнения резервуара из соотношения 1л®1м²[5] составят 0,9·25000 = 22500 м²; 0,9·9700 = 8730 м². Соответственно радиус пятна пролива составит 84,6 м и 52,7 м.

Разгерметизация стационарного резервуара может произойти независимо от наличия автоцистерны на разгрузочной площадке, наиболее реалистично в качестве ИЗ в этом случае рассмотреть прямой удар молнии (ПУМ). Согласно [4] число возможных ПУМ в объекты круглой формы можно оценить по формуле:

где Н — наибольшая высота объекта, м;

R — радиус объекта, м;

n_y— среднее число ударов молнии на 1 км² земной поверхности.

Оценим размер области пространства со взрывоопасной концентрацией паров д/т в случае его утечки из стационарного резервуара. Для ЛВЖ геометрически зона, ограниченная НКПР паров, будет представлять собой цилиндр с основанием радиусом R_HKПРи высотой h = Z_HKПРпри высоте источника паров ЛВЖ h < Z_HKПР и h₆ = h + Z_HKПР, при h ³ Z_HKПР.

Согласно формуле (Б.З) [5] горизонтальный размер зоны R_HKПР, м, для паров ЛВЖ, ограничивающей область концентраций, превышающих НКПР, рассчитывается по формуле

где m_п– масса паров ЛВЖ, поступивших в открытое пространство за время полного испарения, но не более 3600 с, кг;

r_n– плотность паров ЛВЖ при расчётной температуре и атмосферном давлении, кг/м³;

Р_н – давление насыщенных паров ЛВЖ при расчётной температуре, оцененное выше величиной 0,22 кПа (0,22% об.);

Окончательно

К – коэффициент (для ЛВЖ где Т – продолжительность поступления паров ЛВЖ в открытое пространство, с;

С_НКПР – нижний концентрационный предел распространения пламени паров ЛВЖ, % (об.), для д/т равен 0,52%.

Вертикальный размер зоны «опасной» концентрации Z_НКПР можно оценить по формуле (Б.4) [5]:

.

Интенсивность испарения W кг/(с·м²), для ненагретых выше температуры окружающей среды ЛВЖ, при отсутствии данных допускается рассчитывать по формуле приложения И [5] (справедливой в диапазоне температур от минус 50 до плюс 40°С)

где η – коэффициент, принимаемый по таблице И.1 [5] в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения;

М – молярная масса, г/моль;

Р_H– давление насыщенного пара при расчётной температуре жидкости, кПа.

Согласно Приложению 3 [15] молекулярная масса дизельного топлива марки «Л» равна М = 203,6 г/моль. Тогда для наихудших условий (скорость ветра 1,0 м/с):  кг/м² с.

С учётом плотности д/т, 0,8 кг/л, продолжительность испарения составит 0,8/0,0000145 = 55172 с, принимаем Т = 3600 с. Следовательно, масса паров в облаке ПВС m_Н =22500·0,0000145·3600 = 1175 кг.

Плотность паров дизельного топлива r_nпри расчётной температуре Т_р может быть рассчитана согласно Приложению А [5]:

кг/м³.

 

Окончательно

м;

м.

Учитывая, что:

а) продолжительность существования пролива экспертно принимается равной 2 ч;

б) область пролива находится вне зоны молниезащиты;

в) плотность ударов молнии n_y= 4,02 км^-2 год^-1; вероятность Р_пум = (2·13,6 + 6·0,52)²·4,02·2/8760·10^-6=8,4·10^-7год^-1.

Консервативно предположим, что вероятности исходов пролива а) и г) равны и составляют по 50 % каждая. Рассмотрим наихудший сценарий – полную разгерметизацию резервуаров. С учётом годового оборота дизельного топлива общая продолжительность его слива (нахождения автоцистерны на разгрузочной площадке) равна 850·45/(0,8·9,7·60)=
= 82,2 ч/год, продолжительность нахождения д/т в стационарном резервуаре – 8760 ч/год. Интенсивность отказа резервуаров принимаем по среднему значению таблицы 9 [4] равной 1,5·10^-7 ч^-1. Тогда вероятность разгерметизации:

Таким образом, расчётные вероятности сценариев:

«А» Р_А1 – пожар пролива при разгерметизации резервуара:
0,5·1,3·10^-3·8,4·10^-7 = 5,5·10^-10 год^-1;

«Б» Р_А2– объёмный взрыв паров при разгерметизации резервуара: 0,5·1,3·10^-3·8,4·10^-7 = 5,5·10^-10 год^-1;

«В» Р_Б2– пожар пролива при разгерметизации автоцистерны:
0,5·1,2·10^-5·7,5·10^-3 = 4,5·10^-8 год^-1;

«Г» Р_Б2 – объёмный взрыв паров при разгерметизации автоцистерны: 0,5 · 1,2 · 10^-5 · 7,5 · 10^-3 = 4,5 · 10^-8 год^-1

Оценим зависимость от расстояния поражающих факторов рассматриваемых сценариев аварии.

Сценарий «А» (пожар пролива дизельного топлива при разгерметизации резервуара).

 

Таблица П1 Перечень основных параметров

Наименование параметра	Основание	Значение параметра
Исходные данные
Вид ГСМ		дизельное топливо
Подстилающая поверхность		асфальтобетон
Расчётная температура, °С		+39
Площадь пролива, м2		22 500
Удельная скорость испарения дизтоплива, кг/м2·с		0,0000145
Продолжительность испарения, с		3600
Масса паров в облаке ТВС, кг		1175
Плотность паров, кг/м3		7,92
Расчётные параметры, по Приложению В [5]
Эффективный диаметр d,м	(B.2)	169
Среднеповерхностная плотность теплового излучения Ef, кВт/м2	таблица В.1	18
Массовая скорость выгорания мв, кг/м2·с	таблица В.1	0,04
Высота пламени Н,м	(В.3)	93
Интенсивность теплового излучения, кВт/м2	(В.1)	см. график на рис. 1

 

Рис. 1. Зависимость теплового потока пожара пролива от расстояния до его центра, м

 

Сценарий «Б» (взрыв паров пролива дизельного топлива при разгерметизации резервуара).

 

Таблица П2 Перечень основных параметров

Наименование параметра	Основание	Значение параметра
Исходные данные
Вид ГСМ		дизельное топливо
Масса паров в облаке ТВС, кг		1175
Расчётные параметры, по Приложению Е [5]
Коэффициент участия Z	п. Е.1	0,1
Удельная теплота сгорания Q, Дж/кг	[15]	43 420
Приведённая масса паров, кг	п. Е.1	1129
Избыточное давление взрыва, кПа	п. Е.1	см. график на рис. 2

 

Рис. 2. График зависимости избыточного давления взрыва от расстояния до эпицентра, м

 

Сценарий «В» (пожар пролива дизельного топлива при разгерметизации автоцистерны).

 

Таблица ПЗ Перечень основных параметров

Наименование параметра	Основание	Значение параметра
Исходные данные
Вид ГСМ		дизельное топливо
Подстилающая поверхность		асфальтобетон
Расчётная температура, °С		+39
Площадь пролива, м2		8730
Удельная скорость испарения дизтоплива, кг/м2·с		0,0000145
Продолжительность испарения, с		3600
Масса паров в облаке ТВС, кг		455,7
Плотность паров, кг/м3		7,92
Расчётные параметры, по Приложению В [5]
Эффективный диаметр d,м	(B.2)	105,4
Среднеповерхностная плотность теплового излучения Ef, кВт/м2	таблица В.1	18
Массовая скорость выгорания мв, кг/м2·с	таблица В.1	0,04
Высота пламени Н,м	(В.3)	66,9
Интенсивность теплового излучения, кВт/м2	(В.1)	см. график на рис. 3

 

Рис. 3. Зависимость теплового потока пожара пролива от расстояния до его центра, м

 

Сценарий «Г» (взрыв паров пролива дизельного топлива при разгерметизации автоцистерны).

 

Таблица П4 Перечень основных параметров

Наименование параметра	Основание	Значение параметра
Исходные данные
Вид ГСМ		дизельное топливо
Масса паров в облаке ТВС, кг		455,7
Расчётные параметры, по Приложению Е [5]
Коэффициент участия Z	п. Е.1	0,1
Удельная теплота сгорания Q, Дж/кг	[15]	43 420
Приведённая масса паров, кг	п. Е.1	437,8
Избыточное давление взрыва, кПа	п. Е.1	см. график на рис. 4

 

Рис. 4. График зависимости избыточного давления взрыва от расстояния до эпицентра, м

 

Вероятность гибели людей при реализации сценариев А – Г может быть оценена согласно [6].

Сценарий А. Учитывая, что персонал ТЗП и авторемонтной мастерской попадает в область пожара пролива, принимаем вероятность его гибели равной 1. Однако следует учесть условную вероятность нахождения людей в зоне поражения в момент аварии. Оператор ТЗП: общее время отпуска д/т на ТЗП – 1000 ч/год, следовательно, D(1) = 1000/8760 = 0,114.

Вероятность нахождения двух человек в зоне поражения (оператор + водитель АЦ) D(2) = 82,2/8760 = 0,0094.

Для персонала авторемонтной мастерской с учётом фонда рабочего времени, 2000 ч/год: D(5) = 2000/8760 = 0,228.