§ 3.2. Локальное и полное повреждение аппаратов

Локальные утечки, то есть количество вещества, выходящего наружу из поврежденного аппарата, можно определить по формуле

, (3.1)

где α — коэффициент расхода; определение значения которого известно из курса «Гидравлика и противопожарное водоснабжение»; f—площадь отверстия, через которое происходит истечение; v — постоянная или средняя скорость истечения вещества; р — плотность вещества при истечении; τ — длительность истечения.

Площадь поврежденного участка (отверстия) f определяют с учетом причин и характера повреждения и конструктивных особенностей оборудования.

Длительность истечения вещества из поврежденного аппарата τ складывается из времени от начала истечения до момента обнаружения повреждения τ₁, длительности операций по прекращению утечки τ₂ (закрытие задвижек, установка заглушек и т. п.) и длительности остаточного истечения τз, т. е.

τ = τ₁+τ₂ + τ₃. (3.2)

Следует отметить, что величина каждого отрезка времени зависит от многих факторов. Так, время обнаружения повреждения и начала утечки τ₁ зависит от характера и степени повреждения, числа и расположения рабочих мест обслуживающего персонала на производственном участке и в пункте управления производством, наличия стационарных средств контроля за технологическим процессом, чувствительности этих средств к отклонениям от норм технологического режима. При значительных повреждениях в большинстве случаев период обнаружения повреждения можно принимать равным нулю.

Длительность операций по прекращению утечки τ₂ зависит от числа питающих трубопроводов, числа, расположения, вида привода и длительности срабатывания отключающих задвижек, а также численности обслуживающего персонала, его подготовленности к ликвидации аварийной ситуации. При повреждении сложных технологических установок с жесткими технологическими, связями следует учитывать время отключения всех взаимосвязанных блоков и узлов установки. Это время может измеряться часами. В простейших случаях время отключения оборудования принимают равным 15 мин при ручных операциях и 2 мин при автоматических.

Длительность остаточного истечения τз зависит от объема отсекаемого оборудования, его рабочих параметров к моменту отключения и параметров самого истечения. Длительность этого периода определяется гидродинамическим расчетом.

Скорость истечения вещества. Мгновенную скорость истечения жидкости через отверстие определяют по формуле

, (3.3)

тде g — ускорение силы тяжести; Н — напор.

Если истечение происходит из емкости только под давлением «столба жидкости (рис. 3.1, а), то Н определяется разностью отметок от уровня жидкости до места повреждения, т. е.

Н=Н_Ж. (3.4)

а

б

Рис. 3.1. Истечение жидкости при локальном повреждении аппарата: а — при атмосферном давлении в аппарате; б — при избыточном давлении в аппарате.

Если аппарат работает под избыточным давлением (рис. 3.1,6),

то

Н = Н_ж + р/ρ_жg, (3.5)

где р — рабочее избыточное давление; р_ж — плотность жидкости. Скорость истечения газа. Истечение газа или пара под давле­нием через отверстия сопровождается их политропическим расширением и происходит со звуковой или дозвуковой скоростью в зависимости от соотношения, давления окружающей среды р₀, куда происходит истечение, и давления р в аппарате. Границу между двумя режимами истечения (критическим и докритическим) обозначает критическое давление р_кр, определяемое соотношением

, (3.6)

Где k – показатель адиабаты.

Критическое отношение ν для одноатомных газов равно 0,489, для двухатомных 0,528, для многоатомных 0,548.

Если р_о<р_кр, истечение будет с дозвуковой (докритической) скоростью, определяемой по формуле

, (3.7)

где V — удельный объем газа при условиях истечения, м³/кг.

Если р_о≥р_кр, истечение будет происходить со звуковой (крити­ческой) скоростью, определяемой по формуле

, (3.8)

Заменяя pV на RT (по уравнению Клапейрона), получим:

, (3.9)

где R — газовая постоянная; Т — температура газа в аппарате. Последняя формула может быть упрощена. Для двухатомных газов; для многоатомных газов .

При полном разрушении аппаратов общее количество, горючего вещества (газа или жидкости) определяется по формуле

Собщ=Gап+G_Тр, (3.10)

где G_ап— количество вещества, находящегося в аппарате к моменту разрушения; G_TP — количество вещества, подаваемого к аппарату через трубопроводы до момента их отключения.

Количество вещества в аппарате к моменту разрушения определяется исходя из емкости и степени заполнения аппарата. Количество вещества, поступающего к аварийному аппарату по трубопроводам, зависит от их размеров и расхода вещества в трубопроводах, способа обнаружения аварии и отключения трубопроводов.

Площадь растекания жидкости при авариях аппаратов и трубопроводов зависит от количества излившейся жидкости, ее вязкости, температуры, интенсивности излива, высоты падения струи, уклона площадки или пола и других факторов.

Для оценки пожарной опасности производства часто приходится определять площадь растекания относительно небольшого количества жидкости по горизонтальной поверхности (без уклона). Для этого случая получены некоторые зависимости, которые можно использовать при дипломном проектировании.

Так, Донецкая пожарно-техническая станция (совместно с ВНИИПО МВД СССР) исследовала радиус растекания горючих жидкостей с различной вязкостью (автол АС-10, масло для высокоскоростных механизмов, дизельное топливо, бензин) по поверхности полированного стекла. В зависимости от кинематической вязкости v и времени растекания τ получены расчетные формулы (для определения радиуса растекания R) при разовом истечении объема V:

R=3,018V^0,4τ^0,115ν^-0,116, (3.11)

При непрерывном истечении с объемным расходом Q

R=2,385Q^0,333τ^0,519v^-0,155 (3.12)

Для учета характеристик поверхности (смачиваемость, поглощаемость, шероховатость и т. п.) введен коэффициент состояния поверхности К_П, определяющий соотношение фактического радиуса растекания по реальной поверхности и радиуса растекания по идеальной поверхности.

Приняв для идеальной поверхности стекла К_п=1,0, экспериментально нашли: для метлахской плитки К_п = 0,9; для грунта К_п=0,9; для железобетонной плиты—1,1; для асфальта — 1,1; для бетона (с наполнителем из мраморной крошки) — 0,5.

С учетом коэффициента К_п в МИСИ им. В. В. Куйбышева для площади растекания жидкости F в количестве более 1 л (V) получена формула:

, (3.13)

где α — угол смачиваемости поверхности пола разливаемой жид­костью; g — ускорение силы тяжести; р — плотность жидкости; σ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости.