事故后果模拟分析

2.2事故后果模拟分析法火灾、爆炸、中毒是常见的重大事故，经常造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失，影响社会安定。

这里重点介绍有关火灾、爆炸和中毒事故（热辐射、爆炸波、中毒）后果分析，在分析过程中运用了数学模型。

通常一个复杂的问题或现象用数学模型来描述，往往是在一个系列的假设的前提下按理想的情况建立的，有递增模型经过小型试验的验证，有的则可能与实际情况有较大出入，但对辨识危险性来说是可参考的。

2.2.1 泄漏由于设备损坏或操作失误引起泄漏，大量易燃、易爆、有毒有害物质的释放，将会导致火灾、爆炸、中毒等重大事故发生，因此，后果分析由泄漏分析开始。

2.2.1.1 泄漏情况分析2.1.1.1.1泄漏的主要设备根据各种设备泄漏情况分析，可将工厂(特别是化工厂)中易发生泄漏的设备归纳为以下10类：管道、挠性连接器、过滤器、阀门、压力容器或反应器、泵、压缩机、储罐、加压或冷冻气体容器，火炬燃烧装置或放散管等。

⑴管道。

它包括管道、法兰和接头，其典型情况和裂口尺寸分别取管径的20%～100%、20%和20%～100%。

⑵挠性连接器。

它包括软管、波纹管和铰接器，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①连接器本体破裂泄漏，裂口尺寸取管径的20%～100%；②接头处的泄漏，裂口尺寸取管径的20%；③连接装置损坏泄漏，裂口尺寸取管径的100%。

⑶过滤器。

它由过滤器本体、管道、滤网等组成，其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20%～100%和20%。

⑷阀。

其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①阀壳体泄漏，裂口尺寸取管径的20%～100%；②阀盖泄漏，裂口尺寸取管径的20%；③阀杆损坏泄漏，裂口尺寸取管径的20%。

⑸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。

其常见的此类泄漏情况和裂口尺寸为：①容器破裂而泄漏，裂口尺寸取容器本身尺寸；②容器本体泄漏，裂口尺寸取与其连接的粗管道管径的100%；③孔盖泄漏，裂口尺寸取管径的20%；④喷嘴断裂而泄漏，裂口尺寸取管径的100%；⑤仪表管路破裂泄漏，裂口尺寸取管径的20%～100%；⑥容器内部爆炸，全部破裂。

⑹泵。

其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①泵体损坏泄漏，裂口尺寸取与其连接管径的20%～100%；②密封压盖处泄漏，裂口尺寸取管径的20%；⑺压缩机。

包括离心式、轴流式和往复式压缩机，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①压缩机机壳损坏而泄漏，裂口尺寸取与其连接管道管径的20%～100%；②压缩机密封套泄漏，裂口尺寸取管径的20%。

⑻储罐。

露天储存危险物质的容器或压力容器，也包括与其连接的管道和辅助设备，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：①罐体损坏而泄漏，裂口尺寸为本体尺寸；②接头泄漏，裂口尺寸为与其连接管道管径的20%～100%；③辅助设备泄漏，酌情确定裂口尺寸。

⑼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，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：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： ()gh 2ρp p 2A ρC Q 0d 0++＝Q 0=C d A ρ(2[p+P 0]/ρ+2gh)1/2 （1）式中 Q 0——液体泄漏速度，kg/s ；C d ——液体泄漏系数，按表2-1选取；A ——裂口面积，m 2；ρ——泄漏液体密度，㎏∕m 3；p ——容器内介质压力，Pa ；p 0——环境压力，Pa ；g ——重力加速度，9.8m ∕s 2；h ——裂口之上液位高度，m ；表2-2 液体泄漏系数Cd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-T 0)/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＝C d Aρ[（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＝YC d Aρ[（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＝C d A[2ρ(p-p c)]1/2 （8）式中Q0——两相流动混合物泄漏速度，kg/s；C d——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；p c ——临界压力，Pa，可取p c＝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＝C p（T－T c）/H （10）C p——两相混合物的定压比热，J/kg•K；T ——两相混合物的温度，K；T c——临界温度，K；H ——液体的气化热，J/g。