Экологическая безопасность человека, биосферы и промышленных объектовв условиях техногенных чрезвычайных ситуаций и аварий
1. Основные понятия
Чрезвычайная ситуация — это обстановка на определеннойтерритории, сложившаяся в результате аварии, опасного природного явления,стихийного или иного бедствия, которые могут повлечь или повлекли за собойчеловеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной среде,значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности людей.
Зона ЧС — это территория, на которойсложилась чрезвычайная ситуация.
Приняты следующие типы классификаций ЧС:
– по причине возникновения
– по структуре возникновения;
– по скорости развития;
– по масштабам распространения последствий.
Для экологически опасных предприятийосновными ЧС являются локальные, объектовые и местные.
Частные ЧС — это ситуации, действие которыхограничено производственным помещением. Такие ситуации могут возникнуть приавариях, связанных с нарушением герметизации отдельных узлов, технологических линий трубопроводов, принебольших протечках в хранилищах вредных веществ, вчастности, сильнодействующих ядовитых веществ.
Объектовые ЧС — это ситуации, действие которыхограничено территорией промышленных объектов. Они могут возникать при аварияхна складах, разрыве технологических линий и др.
Местные ЧС — это ситуации, распространение которыхограничено территорией города или области. Последствия местных ЧС выходят запределы санитарно-защитной зоны предприятия и создают экологическую угрозу нетолько для производственного персонала предприятия, но также для населения иокружающей среды.
Основными количественными критериями,определяющими характер ЧС, являются: число пострадавших людей, материальный ущерб,кратность превышения ПДК, масса сбрасываемых вредных веществ.
Режимы работы оборудованияподразделяются на регламентный- режим, в которомопасные параметры процесса находятся в расчетном диапазоне и аварийный — режим, в котором опасные параметрыпроцесса выходят за расчетный диапазон и системой регулирования не могут бытьвозвращены в исходное состояние.
Катастрофа — авария, сопровождающаяся гибельюлюдей.
Под инженерным объектом обычно понимают сложныйинженерно-технический комплекс, включающий в себя здания, сооружения,энергосистемы, оборудование, автоматизированные системы, электронную технику ит.п.
Под устойчивостью работы инженерного объекта понимают егоспособность выпускать установленные виды продукции в необходимых объемах иноменклатуре в условиях ЧС, а также приспособленность этого объекта квосстановлению в случае повреждения.
Необходимо помнить, что восстановлениюобъект подлежит, если он получил слабые или средниеразрушения.
При взрывах химического оборудования воздействиеударной волны ее избыточного давления АРФ на незащищенных людейхарактеризуется легкими,средними, тяжелыми и крайнетяжелыми травмами.
Легкие поражения наступают при ДРФ = 20^40кПа. Проявления: звон в ушах, головокружение, головная боль.
Поражения средней тяжести наступают при АРФ = 40-60кПа. Проявление: вывихи конечностей, контузия головы, повреждение органовслуха, кровотечение из носа и ушей.
Тяжелые травмы возникают при ДРФ = 60-100кПа. Они характеризуются сильной контузией всего организма, потерей сознания,возможным повреждением внутренних органов и т.п.
Крайне тяжелые травмы возникают при Рф > 100кПа. Могут быть получены разрывы внутренних органов, переломы костей,внутренние кровотечения и другие повреждения, которые обычно приводят ксмертельному исходу.
Характерными условиями возникновенияэкологических катастроф и аварий являются:
– наличие потенциальных источников риска;
– действие и последствия факторов риска;
– нахождение в зоне аварии людей, продуктовпитания, воды, сельхозугодий и т.п.
Современная промышленность отверглаконцепцию абсолютной безопасности и пришла к концепции приемлемого риска, сутькоторой в стремлении к такой безопасности, которую приемлет общество в данныйпериод времени. Приемлемый риск сочетает в себетехнические, экономические, социальные, политические аспекты и представляетнекоторый компромисс между безопасностью и возможностями ее достижения.Максимально приемлемым уровнем индивидуального риска обычно считается 1×1 О*6 в год, пренебрежимо малым- индивидуальный риск поражающих воздействий 1×10″8 в год. Риск — это количественная оценка опасности. Риск события характеризует частотуреализации опасности за определенное время, т.е. Rc = No/NB, где N0и NB — количество реализованных и возможных опасностей соответственно. В отечественнойи мировой практике оборудование и процессы считаются безопасными, есливероятность травмы человека для данной отрасли промышленности не превышает 10″ в год. Например, реальныйпроизводственный риск в СНГ составляет примерно Ю-4, что на один-двапорядка выше приемлемого риска. В РФв настоящее время нет жестких требований по установлению уровней риска.Согласно «Временным требованиям и критериям оценки риска при нормальнойэксплуатации и авариях на промышленных объектах», приняты следующие нормативныезначения индивидуального риска в расчете на человека в год:
– персонал предприятий — 1×10″5;
– население, находящееся всанитарно-защитной зоне — 1×10″6;
– население региона — 1×10″6.
Статистика показывает, что более 80% аварий и катастроф на производстве носитантропогенный характер: 64% аварийпроисходит за счет нарушения правил эксплуатации техники и 16% — за счет некачественного строительстваи монтажа оборудования.
2. Принципы обеспечения экологическойбезопасности производств
Экологическая безопасность промышленных объектовпри авариях и ЧС определяется вероятностью возникновения поражающих факторов иуровнем воздействия вредных веществ, проявляющегося в процессе эксплуатации.Уровень опасности и принцип обеспечения безопасности во многом связаны сосвойствами перерабатываемых веществ.
При работе с нейтральными твердыми и жидкимивеществами, парами и газами оборудование должно обеспечивать:
– санитарные и гигиенические нормы врабочей зоне помещения по температуре, запыленности, содержанию паров воды идругих жидкостей за счет герметизации при загрузке и разгрузке веществ и припроведении технологического процесса, а при необходимости за счет отвода пыли ипаров общеобменной или местной вентиляцией;
– защиту от разрушения под давлениемсжатых нейтральных паров или газов, внезапном нерегламентированном повышениидавления в ходе выполнения технологических операций, а также принерегламентированном повышении давления от внешних источников — сжатого воздуха,азота пара и т.п.
При эксплуатации оборудования с горючими жидкостями, легковоспламеняющимися жидкостями и горючими газами, в том числе сжиженными наблюдается более высокий уровень опасностиза счет возможного пожара или взрываэтих веществ.
Оборудование при работе с этимивеществами должно обеспечить исключение возможности:
– образования пожаро- и взрывоопасныхконцентраций веществ за счет выбора соответствующих технологических режимныхпараметров, вентиляции, продувки или подачи флегматизаторов;
– появления источников зажигания за счетприменения соответствующего уровня и вида взрывозащиты электрооборудования,исключения искр трения или удара;
– самовоспламенения окружающейвзрывоопасной смеси от нагретых поверхностей;
– нерегламентированного подъематемпературы при нарушении условий проведения экзотермических реакций;
– разрушения оборудования под давлениемпри выполнении технологических операций или при нарушении правил эксплуатации.
Повышенной является опасность и прииспользовании вредных веществ1 I и II класса опасности, а такжевеществ остронаправленного действия 111 класса ввиду их токсичности. Поэтомуоборудование дополнительнодолжно обеспечить:исключение химических ожогов и токсического поражения при транспортныхоперациях, погрузке-разгрузке и т.п. за счет соответствующей герметизации иустройств, нейтрализующих и улавливающих пары вредных веществ.
3.Устойчивость работы промышленных объектов в ЧС
Оценка устойчивости зданий к воздействиюударной волны
Предполагается, что разрушение зданияцеха происходит в результате воздействия ударной волны, возникшей в результатеаварийного разрушения какого-либо аппарата на заводской площадке. Последствиявзрыва определяются величиной давления разрушения инженерного объекта и массойвыброса вредного вещества.
Оценка устойчивости зданий заключается вопределении избыточного давления ударной волны АРФ, вызывающегоразличные степени разрушения промышленного или административного здания взависимости от типа и сейсмостойкости конструкции, вида строительногоматериала, высоты здания и грузоподъемности кранового оборудования внутри цехапромышленного здания.
Ориентировочно величина ЛРФопределяется по формуле:
/>
где Кзд — коэффициент, учитывающий тип здания; Кр — коэффициент, учитывающий степеньразрушения; Кк — коэффициент,учитывающий тип конструкции; Км — коэффициент, учитывающий вид строительного материала; Кв — коэффициент, учитывающий высотуздания; Кс — коэффициент,учитывающий сейсмостойкость конструкции; Ккр — коэффициент, учитывающий грузоподъемность крановогооборудования.
Значения коэффициентов Ki — К7 приведены в приложении3.
Пример 1. Определить избыточные давления ударнойволны, при которых здание цеха химического машиностроения получит различные степени разрушения. Исходные данные: тип здания — каркасный;стены -кирпичные; высота -10 м; здание не сейсмостойкое; грузоподъемностьмостового крана — 10 т.
Решение: Избыточное давление ударнойволны, вызывающее полное разрушение здания, находим по формуле 1.
/>
Тогда
/>
Оценка устойчивости технологическогооборудования к воздействию ударной волны
Промышленное оборудование рассчитываютсяна действие скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны.Давление скоростного напора рассчитывается по формуле:
/>
где ЛРФ — избыточное давление во фронте ударнойволны, кПа.
При воздействии скоростного напора наобъект возникает смещающаясила, котораяможет вызывать:
– смещение оборудования относительнооснования или его отбрасывание;
– опрокидывание оборудования;
– мгновенное инерционное разрушениеэлементов оборудования.
Смещение оборудования может привести к слабым, а в рядеслучаев и средним разрушениям. Величина скоростного напора, вызывающегосмещение оборудования, составляет
/>
где f — коэффициент трения; т — масса объекта, кг; g — ускорение свободного падения; сх — коэффициент аэродинамическогосопротивления объекта; I — длина объекта, м; h — высота объекта, м; 0Б — суммарное усилие болтов крепления,работающих на срез, Н. Величина 0Б равна
/>
где тср — допустимое напряжение на срез, кг/мм2;от — предел текучести стали, кг/мм2,для Ст. 35 от = 65 кг/мм2 = 6,33х108 н/м2; d6 — диаметр болта, м; п — количествоболтов.
Для незакрепленного оборудования величинаскоростного напора, вызывающего смещение оборудования, составляет
/>
По величине скоростного напора ЛРСК,используя рис. 2, находят предельное избыточное давление АРф|, т,при котором предмет не смещается.
Пример 2. Определить предельное значениеизбыточного давления, не вызывающее смещение абсорбционной колонны относительно бетонного основания. Исходныеданные: диаметр колонны d = 4м; высота h =60 м; масса m =5-Ю5 кг; f =0,2; с* = 0,46.
Решение: Определяем по формуле 6предельное значение давления скоростного напора, при котором колонна несмещается
/>
По величине ЛРСК= 9 кПа,используя рис. 2, находим ДРФ = 52 кПа. Таким образом, при ДРФ> 52 кПа ударная волна вызывает смещение колонны.
Опрокидывание оборудования приводит к средним и сильнымразрушениям. Смещающая сила Рсм> действующая на плече z = h/2 будет создавать опрокидывающиймомент, а вес оборудования на плече £ 12 и реакция крепления Qr плече £ — стабилизирующий момент.
/>
где s — площадь объекта со стороны движенияударной волны, м2.
При b = £ = d, где b — наименьший размер объекта, м
/>
Суммарное усилие болтов крепления,работающих на разрыв, равно
/>
где ор — допустимое напряжение болта на разрыв,кг/мм2.
По величине скоростного напора ЛРСК,используя рис. 2, находят предельное избыточное давление ДРф,|т,при котором оборудование не опрокинется.
Пример 3. Определить предельное значениеизбыточного давления, не вызывающее опрокидывание абсорбционной колонны. Исходные данные: см. пример 2.
Решение: Определяем по формуле 9предельное значение давления скоростного напора, при котором колонна неопрокинется:
/>
По величине ДРСК = 3 кПа,используя рис. 2, находим АРф|, т = 30 кПа. Таким образом,при ЛРФ > 30 кПа ударная волна вызывает опрокидывание колонны.
В данном случае для опрокидыванияколонны требуется меньшее давление ударной волны, чем для ее смещения, чтохарактерно для высоких элементов объекта; для низких, наоборот, требуетсяменьшее давление для смещения, чем для опрокидывания.
Инерционные разрушения радиоэлектронной и оптической аппаратурывозникают от избыточного давления ударной волны и давления скоростного напора.Они приравниваются к сильной степени разрушения.
Предельное значение избыточного давленияударной волны, при котором оборудование не получит инерционных разрушений ДРф,, т,определяется с помощью рис. 4. по найденной величине избыточного предельноголобового давления АРл0б-
/>
где РЛОб — лобовая сила, Н; S — площадь воздействия ударной волны, м2; т — масса прибора, кг; а^оп — допустимое ускорение при ударе, м/с2;пдоп = адог/д- допустимая ударнаяперегрузка, не приводящая к инерционным разрушениям.
Пример 4. Определить предельное значениеизбыточного давления, при котором прибор не получит инерционное разрушение. Исходные данные: длина прибора £ =400 мм, ширина b =420 мм, высота h =720 мм, масса m =60 кг, допустимое ускорение при ударе адоп = 100 м/с2.
Решение: Определяем по формуле 11избыточное лобовое давление, которое может выдержать прибор:
/>
По рис. 4, зная АРЛОб.находим предельное избыточное давление ДРф,, т = 18 кПа.Таким образом, при ДРф||т > 18 кПа прибор получитсильное разрушение от инерционных перегрузок, вызываемых ударной волной.
Основные пути повышения инженернойустойчивости промышленных объектов:
– использование оптимальных конструкций иматериалов зданий и сооружений;
– надежное закрепление оборудования нафундаменте;
^ — применение демпфирующих опороборудования;
– создание специальных защитных упругихнавесов, кожухов, зонтов, сеток и т.п.;
, • — расположение массивной техники нанижних этажах и вне помещения;
– возможность эксплуатации объекта наразличных видах топлива;
– обваловывание емкостей с вреднымивеществами, горючими и легковоспламеняющимися жидкостями;
– закрепление оттяжками высоких элементовобъекта, рассчитанными на воздействие скоростного напора ударной волны.
4. Прогнозирование экологическойобстановки при авариях на химически опасных объектах
Экологическая безопасностьфункционирования химически опасных предприятий зависит от многих факторов,например, физико-химических свойств сырья, полуфабрикатов и готового продукта,характеристик технологического процесса и др. Особенностью работы с вредными веществамиявляется возможность их потенциального взрыва, пожара и выброса в биосферу вколичествах, представляющих опасность массового поражения людей, животных иокружающей среды.
Исходя из оценки масштабов реальнойопасности, зависящей не только от токсичности вещества, но и от величины ихзапасов и характера распространения в атмосфере, перечень ВВ, от воздействиякоторых в первую очередь необходимо обеспечивать защиту, можно ограничитьдевятью веществами, токсилогические характеристики которых приведены в табл. 1.
Основной характеристикой зоныхимического заражения является глубина распространения облака зараженного воздуха. Глубина зоныхимического заражения для ВВ определяется глубиной распространения первичного или вторичного облака зараженного воздуха. Первичнымоблаком называется облако газа токсичного вещества, образовавшегося мгновенно врезультате разрушения или разгерметизации емкости. Вторичным облаком называетсяоблако, образовавшееся в результате испарения ВВ с площади его разлива. Ввта б л.
2 приведены глубины опасных зонраспространения первичного облака ВВ, образующегося при разрушении емкостей дляхранения. Они рассчитаны для средних метеоусловий. В условиях инверсии глубина распространения будетувеличиваться в зависимости от скорости ветра в 1,1-3,0 раза; при конвекции — уменьшаться.
Время воздействия опасных концентрацийзависит от типа и количества выброшенного ВВ, а также метеоусловий в районеаварии, и может колебаться от нескольких часов до нескольких суток. Например,при выбросе 50 тыс. т ВВ при температуре окружающей среды +20 °С время действияхлора, аммиака, фосгена и сероводорода составляет 1,8: 3,2; 1,7 и 6,7 сутоксоответственно.
Масштабы заражения ВВ в зависимости отих физических свойств и агрегатного состояния рассчитываются:
– длясжиженных газов — отдельно по первичному и вторичному облаку;
– для сжатыхгазов — только попервичному облаку;
– дляядовитых жидкостей, кипящих выше температуры окружающей среды, — только по вторичномуоблаку.
5. Определение количественныххарактеристик выброса ВВ
Площадь зоны возможного заражения первичным облаком ВВ определяетсяпо формуле:
S8 = 8,72 x 10″3 x Г2 x ф, км*,
где Г — глубина зоны заражения, км; ср — угловой размер зоны заражения, град.
В зависимости от скорости ветра угловыеразмеры зон возможного заражения составляют:И, м/с 2 ф. фад 360 180 90 45
Площадь зоны фактического химического заражения рассчитывается по формуле:
/>
где К — коэффициент, зависящий от степени вертикальной устойчивостивоздуха: приинверсии — 0,081, при изотермии — 0,133, при конвекции -0,235; /V- время, прошедшее после началааварии, ч.
Длительность подходазараженного облака к населенному пункту, расположенному на пути его движения,определяется по формуле:
/>
где х — расстояние от промышленногообъекта до населенного пункта, км; V- скорость переноса фронта облака зараженного воздуха, км/ч.
Критерий оценки степени загрязненияатмосферного воздуха по максимальным разовым концентрациямКласс опасности загрязнения Экологическое бедствие Чрезвычайная экологическая ситуация Кратность превышения ПДК % измерений выше ПДК К % измерений выше ПДК \ 5 30 3-5 30 \\ 7,5 30
5-7г5 30 111 12,5 50 8-12,5 50 IV 20 50 12,5-20 50
Критерий оценки степени загрязненияатмосферного воздуха по среднесуточным концентрациямКласс опасности загрязнения Экологическое бедствие Чрезвычайная экологическая ситуация Кратность превышения ПДК % проб выше К К % проб выше К I 3 20 или 7 суток подряд 2-3 20 или 7 суток подряд I! 5 то же 3-5 то же II! 7,5 30 сут. 5-7,5 30 сут. IV 12 30 сут. 8,12 30 сут.
Коэффициенты, отражающие конструкциюпромышленного зданияк зд к
кк
Промыш офис -админ ПОЛИ. сильн сред. слаб. бескаркасн. каркасн. мон ж/б
14 23 1 0,87 0,56 0,35 1 2 3,5
к„ К.
кирп дер. ж/б сл ж/б норм. 15 м
армиров армиров
1,5 1 2 3 1 0,85 0,8
Кс несейсмо-стойк сейсмостойк. Ют 20 т 40 т 60 т 100 т 1 1,5 1,05 1,1 1.2 1,3 1,45 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Коэффициенты трения /между поверхностямиразличных конструкционных материаловНаименование Значение трущихся материалов коэффициента Сталь по стали 0,15 Сталь по чугуну 0,3 Металл по линолеуму 0,2-0,4 Металл по дереву 0,6 Металл по бетону 0,2-0,5 Резина по твердому грунту 0,4-0,5 Резина по линолеуму 0,4-0,5 Резина по дереву 0,5-0,8 Резина по чугуну 0,8 Дерево по дереву 0,4-0,6 Кожа по чугуну 0,3-0,5 Кожа по дереву
0,4-0,6
т
Коэффициенты аэродинамическогосопротивления Сх для объектов различной формы Геометрическая форма объекта Направление движения воздуха Параллелепипед Перпендикулярно основанию 0,85 То же (основание — квадрат, длина боковой стороны в 3 раза больше меньшей сто- Перпендикулярно боковой грани 1,3 роны основания) Куб Перпендикулярно грани 1,5 Пластина квадратная Перпендикулярно пластине 1,45 Диск Перпендикулярно диску 1,6 Цилиндр h/d = 1 Перпендикулярно оси ци- 0,4 h/d = 4 h/d = 9
линдра
о (* 0,43 0,46 Сфера Вдоль поверхности 0,25 Полусфера Параллельно плоскости основания 0,3 Пирамида Параллельно основанию 1,1
Допустимые напряжения болтов на разрыв взависимости от размеровРазмер болта М12 М16 М20 М24 М27 МЗО М36 М42 М46 Op, Н
1,7х104
2,6х104 4,1×10*
6×104
7,8х104
9,6×104
1,4×105
2х105
2,9×105
Основные нагрузки, воспринимаемыерадиоэлектронной и оптической аппаратурой в процессе эксплуатацииВид воздействий и параметры Группа аппаратуры Наземная Авиационная Ударные сотрясения:
— ускорение, м/с2 10-15 6-12 — длительность, мс 5-10 ДО 15 Вид воздействий и параметры Группа аппаратуры Наземная Авиационная Одиночные удары:
— ускорение, м/с2 50-1000 — — длительность, мс 0,5-10 —
Линейное ускорение, м/с2 2-5 4-10 Вибрация: — частота, Гц 10-70 5-2000
— ускорение, м/с2 1-4 до 20 Ветровая нагрузка: — рабочая, м/с до 50 – — предельная, м/с ДО 70 –