Истечение, растекание и испарение сжиженных газов на поверхности

При аварийной разгерметизации сосудов или трубопроводов происходит истечение под давлением сжиженного газа и «мгновенное» испарение в окружающее пространство определенной его части. Оставшаяся часть вытекшей жидкости охлаждается, растекается по поверхности и испаряется.

Таким образом, массовая интенсивность испарения сжиженного газа при аварийном истечении определяется тремя факторами:

- резким падением давления;

- теплопритоком из массива грунта;

- турбулентно-диффузионным потоком тепла из атмосферы.

Испарение жидкостей 1 категории.Вытекающая криогенная жидкость будет находиться в равновесии со своими парами при давлении равном атмосферному. Следовательно, при подводе тепла возникает немедленное кипение жидкости с интенсивностью пропорциональной скорости подвода тепла. Однако по мере того как основание охлаждается и уменьшается подвод тепла, то и резко падает скорость испарения.

Так, когда жидкий азот растекается по основанию, имеющему температуру +20⁰С скорость его испарения равна 100 грамм в секунду с 1 м². (0,1 кг/с·м²). Однако когда основание замерзает, то скорость испарения уменьшается в 10 раз и составляет всего 10 кг/с·м².

Для разлития таких жидкостей характерны два периода:

- период нестационарного испарения;

- период стационарного испарения.

В период нестационарного испарения происходит неустойчивое испарение вещества за счет тепла поддона (обваловки), изменения теплосодержания жидкости и притока тепла от окружающего воздуха. Этот период характеризуется резким падением интенсивности испарения в первые минуты после разлива с одновременным понижением температуры жидкого слоя ниже температуры кипения.

Стационарное испарение происходит за счет тепла окружающего воздуха. Испарение в этом случае будет зависеть от скорости ветра, температуры окружающего воздуха и жидкого слоя. Подвод тепла от поддона практически будет равен нулю. Продолжительность стационарного периода в зависимости от типа вещества, его количества и внешних условий может составить часы, сутки и более.

Формирование первичного облака осуществляется в период нестационарного испарения за счет тепла поддона, изменения теплосодержания жидкости и притока тепла от окружающего воздуха. При этом количество вещества переходящее в первичное облако, как правило, не превышает 5 % при температуре воздуха 25…30⁰С.

Испарение жидкостей 2 категории.Рассмотрим теперь разлитие жидкостей имеющих критическую температуру выше температуры окружающей среды. Их свойства отличаются от свойств криогенных жидкостей и содержатся такие жидкости в резервуарах под давлением.

В случае разрушения оболочки емкости содержащей вещество под давлением и последующего разлива большого количества вещества в поддон (обваловку) его поступление в атмосферу может осуществляться в течение длительного времени. Процесс испарения в этом случае делится на три периода (а не на два как с веществами 1 категории):

1 период – период мгновенного испарения;

2 период – период нестационарного (неустойчивого) испарения;

3 период – период стационарного испарения.

1 период.Основное отличие веществ 2 категории от веществ 1 категории заключается в явлении «мгновенного испарения», которое возникает тогда, когда в системе включающей жидкость, находящуюся в равновесии со своими парами понижается давление. При этом происходит бурное, почти мгновенное испарение за счет разности упругости насыщенных паров вещества в емкости и парциального давления в воздухе.

Данный процесс обеспечивает основное количество паров вещества поступающего в атмосферу в этот период времени. Кроме того, часть вещества переходит в пар за счет изменения теплосодержания жидкости, температуры окружающего воздуха и солнечной радиации. В результате температура жидкости понижается до температуры кипения.

Учитывая, что за данный период времени испаряется значительное количество вещества, то может образоваться облако с концентрациями, приводящими к взрыву или токсическому поражению (в зависимости от типа вещества).

Второй и третий периодыаналогичны жидкостям 1 категории.

Наиболее опасной стадией аварии, безусловно, являются первые 10 минут, когда испарение вещества происходит интенсивно. При этом в первый момент выброса сжиженного газа находящегося под давлением образуется аэрозоль в виде тяжелых облаков.

Испарение жидкостей 3 категории.Жидкости 3 категории обычно называют высококипящими жидкостями. Они хранятся в закрытых емкостях при температуре окружающей среды. Полное разрушение такой емкости маловероятно.

Поэтому существенное значение (с точки зрения опасности) имеет утечка ниже уровня жидкости. Интенсивность такой утечки зависит от давления жидкости.

Испарение разлитой жидкости осуществляется по стационарному процессу и зависит от физико-химических свойств вещества, температуры воздуха и скорости ветра. При этом первичное облако не образуется.

Испарение жидкостей 4 категории.Жидкости 4 категории при температурах выше их точки кипения при атмосферном давлении являются сжиженными парами. В этом они схожи с жидкостями 2 категории и поэтому при их разлитии наблюдается явление мгновенного испарения.

Натурные опыты с аммиаком показывают, что первичное облако моментально поднимается вверх примерно на 20 метров, а затем под действием собственной силы тяжести опускается на грунт. Границы облака на первом этапе очень отчетливы, так как оно большую оптическую плотность и только через две-три минуты становится прозрачным. Ввиду его большой плотности на начальном этапе разбавление облака и его движение осуществляется под собственной силой тяжести.

На этом этапе формирование и направление движения облака носят крайне неопределенный характер, в результате чего при прогнозировании распространения (движения) облака в данном случае выделяют «зону неопределенности», в которой нельзя предсказать местоположение облака, руководствуясь только метеорологическими условиями. Радиус этой зоны лежит в пределах от 0,5 до 1 км.

Но в отличие от жидкостей 2 категории при разлитии этих веществ часть выброшенного пара конденсируется. Это явление происходит из-за потери тепла в окружающую относительно холодную среду.

Движение и рассеивание облаков тяжелого газа в приземном слое
атмосферы

При выбросе сжиженного газа градиенты плотности, температуры и давления формируют «локальное» поле сил плавучести, которое приводит к распространению облака не только по направлению ветра, но и в поперечном и даже в противоположенном ветру направлениях. Облако тяжелых паров при достижении им источников зажигания может сгорать с образованием воздушной ударной волны. Сгорание топливно-воздушной смеси (ТВС) может протекать как в режиме детонации, так и в режиме дефлограции (быстрого горения).

При детонации образуется эффект самовоспламенения за счет интенсивного сжатия смеси сверхзвуковой ударной волной. При дефлограции действует механизм радиационно-конвективного нагревания до температуры воспламенения слоев смеси перед фронтом горения.

Эффект «BLEVE»

Одним из возможных сценариев развития арий на объекте содержащим сжиженные газы является образование огневых шаров и взрывные явления типа «BLEVE» (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion).

Данный сценарий характеризуется совокупностью физических процессов, сопровождающих взрывное вскипание углеводородных жидкостей в резервуарах высокого давления, выброс содержимого резервуара в окружающее пространство с образованием быстро сгорающего аэрозольного облака (огневого шара) и ударной волны, а также с разрушением сосуда и разлетом его осколков.

Для возникновения «BLEVE» необходимо три предпосылки:

1. Жидкость должна быть «термодинамически перегретой» выше некоторого характерного предела относительно состояния насыщения при атмосферном давлении.

2. Должно произойти резкое падение давления над поверхностью раздела жидкой и паровой фаз.

3. Величина термодинамической нестабильности жидкости при сбросе давления должна достигнуть области локального перегрева, при которой происходит мгновенное вскипание перегретой жидкости по всему объему за счет высокой плотности центров парообразования (до 10⁶ в одном кубическом миллиметре).

4. При «провале» за границу предельного перегрева произойдет «паровой взрыв». Давление в сосуде возрастет в сотни раз, вследствие чего сосуд будет разорван. Часть жидкости превратится в пар, а остальная в аэрозоль. В результате образуется аэрозольное облако расширяющихся паров, которая с вероятностью 0,7…0,8 воспламенится, за счет взаимодействия разрушенных частей сосуда и будет сгорать с высокой интенсивностью и мощным излучением тепла в окружающее пространство.

За счет эффекта расширения паров газа и продуктов сгорания образуется воздушная ударная волна (до 0,5 атм.). Также образуются осколки и огневой шар диаметром D_ош [м] и временем существования τ_ош [сек].

Dош = 55 × M0,375.	(13)
	(14)

Где М – масса сжиженного газа выброшенного в атмосферу [т].

Из 130 аварий типа «BLEVE» в 89 случаев наблюдали огневой шар с разлетом осколков, в 24 случаях только огневой шар, в 17 случаев только разлет осколков. Число осколков от 3 до 7, разлет на расстояние не более 300 метров. А термические поражения наблюдались на расстоянии до 500 м. Поэтому при оценке последствий аварий типа «BLEVE» следует, прежде всего, рассчитывать зоны термических поражений.