Экологическая безопасность человека, биосферы и промышленных объектов в условиях техногенных чрезвычайных ситуаций и аварий

Экологическая безопасность человека, биосферы и промышленных объектов в условиях техногенных чрезвычайных ситуаций и аварий

1. Основные понятия

Чрезвычайная ситуация - это обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии, опасного природного явления, стихийного или иного бедствия, которые могут повлечь или повлекли за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной среде, значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности людей.

Зона ЧС - это территория, на которой сложилась чрезвычайная ситуация.

Приняты следующие типы классификаций ЧС:

по причине возникновения

по структуре возникновения;

по скорости развития;

по масштабам распространения последствий.

Для экологически опасных предприятий основными ЧС являются локальные, объектовые и местные.

Частные ЧС - это ситуации, действие которых ограничено производственным помещением. Такие ситуации могут возникнуть при авариях, связанных с нарушением герметизации отдельных узлов, технологических линий трубопроводов, при небольших протечках в хранилищах вредных веществ, в частности, сильнодействующих ядовитых веществ.

Объектовые ЧС - это ситуации, действие которых ограничено территорией промышленных объектов. Они могут возникать при авариях на складах, разрыве технологических линий и др.

Местные ЧС - это ситуации, распространение которых ограничено территорией города или области. Последствия местных ЧС выходят за пределы санитарно-защитной зоны предприятия и создают экологическую угрозу не только для производственного персонала предприятия, но также для населения и окружающей среды.

Основными количественными критериями, определяющими характер ЧС, являются: число пострадавших людей, материальный ущерб, кратность превышения ПДК, масса сбрасываемых вредных веществ.

Режимы работы оборудования подразделяются на регламентный - режим, в котором опасные параметры процесса находятся в расчетном диапазоне и аварийный - режим, в котором опасные параметры процесса выходят за расчетный диапазон и системой регулирования не могут быть возвращены в исходное состояние.

Катастрофа - авария, сопровождающаяся гибелью людей.

Под инженерным объектом обычно понимают сложный инженерно-технический комплекс, включающий в себя здания, сооружения, энергосистемы, оборудование, автоматизированные системы, электронную технику и т.п.

Под устойчивостью работы инженерного объекта понимают его способность выпускать установленные виды продукции в необходимых объемах и номенклатуре в условиях ЧС, а также приспособленность этого объекта к восстановлению в случае повреждения.

Необходимо помнить, что восстановлению объект подлежит, если он получил слабые или средние разрушения.

При взрывах химического оборудования воздействие ударной волны ее избыточного давления АР_Ф на незащищенных людей характеризуется легкими, средними, тяжелыми и крайне тяжелыми травмами.

Легкие поражения наступают при ДР_Ф = 20^40 кПа. Проявления: звон в ушах, головокружение, головная боль.

Поражения средней тяжести наступают при АР_Ф = 40-60 кПа. Проявление: вывихи конечностей, контузия головы, повреждение органов слуха, кровотечение из носа и ушей.

Тяжелые травмы возникают при ДР_Ф = 60-100 кПа. Они характеризуются сильной контузией всего организма, потерей сознания, возможным повреждением внутренних органов и т.п.

Крайне тяжелые травмы возникают при Р_ф > 100 кПа. Могут быть получены разрывы внутренних органов, переломы костей, внутренние кровотечения и другие повреждения, которые обычно приводят к смертельному исходу.

Характерными условиями возникновения экологических катастроф и аварий являются:

наличие потенциальных источников риска;

действие и последствия факторов риска;

нахождение в зоне аварии людей, продуктов питания, воды, сельхозугодий и т.п.

Современная промышленность отвергла концепцию абсолютной безопасности и пришла к концепции приемлемого риска, суть которой в стремлении к такой безопасности, которую приемлет общество в данный период времени. Приемлемый риск сочетает в себе технические, экономические, социальные, политические аспекты и представляет некоторый компромисс между безопасностью и возможностями ее достижения. Максимально приемлемым уровнем индивидуального риска обычно считается 1x1 О*⁶ в год, пренебрежимо малым - индивидуальный риск поражающих воздействий 1x10"⁸ в год. Риск - это количественная оценка опасности. Риск события характеризует частоту реализации опасности за определенное время, т.е. R_c = No/N_B, где N₀ и N_B - количество реализованных и возможных опасностей соответственно. В отечественной и мировой практике оборудование и процессы считаются безопасными, если вероятность травмы человека для данной отрасли промышленности не превышает 10" в год. Например, реальный производственный риск в СНГ составляет примерно Ю^-4, что на один-два порядка выше приемлемого риска. В РФ в настоящее время нет жестких требований по установлению уровней риска. Согласно «Временным требованиям и критериям оценки риска при нормальной эксплуатации и авариях на промышленных объектах», приняты следующие нормативные значения индивидуального риска в расчете на человека в год:

персонал предприятий - 1x10"⁵;

население, находящееся в санитарно-защитной зоне - 1x10"⁶;

население региона - 1x10"⁶.

Статистика показывает, что более 80% аварий и катастроф на производстве носит антропогенный характер: 64% аварий происходит за счет нарушения правил эксплуатации техники и 16% - за счет некачественного строительства и монтажа оборудования.

2. Принципы обеспечения экологической безопасности производств

Экологическая безопасность промышленных объектов при авариях и ЧС определяется вероятностью возникновения поражающих факторов и уровнем воздействия вредных веществ, проявляющегося в процессе эксплуатации. Уровень опасности и принцип обеспечения безопасности во многом связаны со свойствами перерабатываемых веществ.

При работе с нейтральными твердыми и жидкими веществами, парами и газами оборудование должно обеспечивать:

санитарные и гигиенические нормы в рабочей зоне помещения по температуре, запыленности, содержанию паров воды и других жидкостей за счет герметизации при загрузке и разгрузке веществ и при проведении технологического процесса, а при необходимости за счет отвода пыли и паров общеобменной или местной вентиляцией;

защиту от разрушения под давлением сжатых нейтральных паров или газов, внезапном нерегламентированном повышении давления в ходе выполнения технологических операций, а также при нерегламентированном 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 опасности за счет возможного пожара или взрыва этих веществ.

Оборудование при работе с этими веществами должно обеспечить исключение возможности:

образования пожаро- и взрывоопасных концентраций веществ за счет выбора соответствующих технологических режимных параметров, вентиляции, продувки или подачи флегматизаторов;

появления источников зажигания за счет применения соответствующего уровня и вида взрывозащиты электрооборудования, исключения искр трения или удара;

самовоспламенения окружающей взрывоопасной смеси от нагретых поверхностей;

нерегламентированного подъема температуры при нарушении условий проведения экзотермических реакций;

разрушения оборудования под давлением при выполнении технологических операций или при нарушении правил эксплуатации.

Повышенной является опасность и при использовании вредных веществ¹ I и II класса опасности, а также веществ остронаправленного действия 111 класса ввиду их токсичности. Поэтому оборудование дополнительно должно обеспечить: исключение химических ожогов и токсического поражения при транспортных операциях, погрузке-разгрузке и т.п. за счет соответствующей герметизации и устройств, нейтрализующих и улавливающих пары вредных веществ.

3. Устойчивость работы промышленных объектов в ЧС

Оценка устойчивости зданий к воздействию ударной волны

Предполагается, что разрушение здания цеха происходит в результате воздействия ударной волны, возникшей в результате аварийного разрушения какого-либо аппарата на заводской площадке. Последствия взрыва определяются величиной давления разрушения инженерного объекта и массой выброса вредного вещества.

Оценка устойчивости зданий заключается в определении избыточного давления ударной волны АР_Ф, вызывающего различные степени разрушения промышленного или административного здания в зависимости от типа и сейсмостойкости конструкции, вида строительного материала, высоты здания и грузоподъемности кранового оборудования внутри цеха промышленного здания.

Ориентировочно величина ЛР_Ф определяется по формуле:

где К_зд - коэффициент, учитывающий тип здания; К_р - коэффициент, учитывающий степень разрушения; К_к - коэффициент, учитывающий тип конструкции; К_м - коэффициент, учитывающий вид строительного материала; К_в - коэффициент, учитывающий высоту здания; К_с - коэффициент, учитывающий сейсмостойкость конструкции; К_кр - коэффициент, учитывающий грузоподъемность кранового оборудования.

Значения коэффициентов Ki - К₇ приведены в приложении 3.

Пример 1. Определить избыточные давления ударной волны, при которых здание цеха химического машиностроения получит различные степени разрушения. Исходные данные: тип здания - каркасный; стены -кирпичные; высота -10 м; здание не сейсмостойкое; грузоподъемность мостового крана - 10 т.

Решение: Избыточное давление ударной волны, вызывающее полное разрушение здания, находим по формуле 1.

Тогда

Оценка устойчивости технологического оборудования к воздействию ударной волны

Промышленное оборудование рассчитываются на действие скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны. Давление скоростного напора рассчитывается по формуле:

где ЛР_Ф - избыточное давление во фронте ударной волны, кПа.

При воздействии скоростного напора на объект возникает смещающая сила, которая может вызывать:

смещение оборудования относительно основания или его отбрасывание;

опрокидывание оборудования;

мгновенное инерционное разрушение элементов оборудования.

Смещение оборудования может привести к слабым, а в ряде случаев и средним разрушениям. Величина скоростного напора, вызывающего смещение оборудования, составляет

где f - коэффициент трения; т - масса объекта, кг; g - ускорение свободного падения; с_х - коэффициент аэродинамического сопротивления объекта; I - длина объекта, м; h - высота объекта, м; 0_Б - суммарное усилие болтов крепления, работающих на срез, Н. Величина 0_Б равна

где т_ср - допустимое напряжение на срез, кг/мм²; о_т - предел текучести стали, кг/мм², для Ст. 35 о_т = 65 кг/мм² = 6,33х10⁸ н/м²; d₆ - диаметр болта, м; п - количество болтов.

Для незакрепленного оборудования величина скоростного напора, вызывающего смещение оборудования, составляет

По величине скоростного напора ЛР_СК, используя рис. 2, находят предельное избыточное давление АР_ф^|,т, при котором предмет не смещается.

Пример 2. Определить предельное значение избыточного давления, не вызывающее смещение абсорбционной колонны относительно бетонного основания. Исходные данные: диаметр колонны d = 4 м; высота h = 60 м; масса m = 5-Ю⁵ кг; f = 0,2; с* = 0,46.

Решение: Определяем по формуле 6 предельное значение давления скоростного напора, при котором колонна не смещается

По величине ЛР_СК= 9 кПа, используя рис. 2, находим ДР_Ф = 52 кПа. Таким образом, при ДР_Ф > 52 кПа ударная волна вызывает смещение колонны.

Опрокидывание оборудования приводит к средним и сильным разрушениям. Смещающая сила Р_см> действующая на плече z = h/2 будет создавать опрокидывающий момент, а вес оборудования на плече Ј 12 и реакция крепления Q_r плече Ј - стабилизирующий момент.

где s - площадь объекта со стороны движения ударной волны, м².

При b = Ј = d, где b - наименьший размер объекта, м

Суммарное усилие болтов крепления, работающих на разрыв, равно

где о_р - допустимое напряжение болта на разрыв, кг/мм².

По величине скоростного напора ЛР_СК, используя рис. 2, находят предельное избыточное давление ДР_ф^,|т, при котором оборудование не опрокинется.

Пример 3. Определить предельное значение избыточного давления, не вызывающее опрокидывание абсорбционной колонны. Исходные данные: см. пример 2.

Решение: Определяем по формуле 9 предельное значение давления скоростного напора, при котором колонна не опрокинется:

По величине ДР_СК = 3 кПа, используя рис. 2, находим АР_ф^|,т = 30 кПа. Таким образом, при ЛР_Ф > 30 кПа ударная волна вызывает опрокидывание колонны.

В данном случае для опрокидывания колонны требуется меньшее давление ударной волны, чем для ее смещения, что характерно для высоких элементов объекта; для низких, наоборот, требуется меньшее давление для смещения, чем для опрокидывания.

Инерционные разрушения радиоэлектронной и оптической аппаратуры возникают от избыточного давления ударной волны и давления скоростного напора. Они приравниваются к сильной степени разрушения.

Предельное значение избыточного давления ударной волны, при котором оборудование не получит инерционных разрушений ДР_ф^,,т, определяется с помощью рис. 4. по найденной величине избыточного предельного лобового давления АР_л0б-

где Р_ЛОб - лобовая сила, Н; S - площадь воздействия ударной волны, м²; т - масса прибора, кг; а^оп - допустимое ускорение при ударе, м/с²; п_доп = а_дог/д - допустимая ударная перегрузка, не приводящая к инерционным разрушениям.

Пример 4. Определить предельное значение избыточного давления, при котором прибор не получит инерционное разрушение. Исходные данные: длина прибора Ј = 400 мм, ширина b = 420 мм, высота h = 720 мм, масса m = 60 кг, допустимое ускорение при ударе а_доп = 100 м/с².

Решение: Определяем по формуле 11 избыточное лобовое давление, которое может выдержать прибор:

По рис. 4, зная АР_ЛОб. находим предельное избыточное давление ДР_ф^,,т = 18 кПа. Таким образом, при ДР_ф^||т > 18 кПа прибор получит сильное разрушение от инерционных перегрузок, вызываемых ударной волной.

Основные пути повышения инженерной устойчивости промышленных объектов:

использование оптимальных конструкций и материалов зданий и сооружений;

надежное закрепление оборудования на фундаменте;

^ - применение демпфирующих опор оборудования;

создание специальных защитных упругих навесов, кожухов, зонтов, сеток и т.п.;

, * - расположение массивной техники на нижних этажах и вне помещения;

возможность эксплуатации объекта на различных видах топлива;

обваловывание емкостей с вредными веществами, горючими и легковоспламеняющимися жидкостями;

закрепление оттяжками высоких элементов объекта, рассчитанными на воздействие скоростного напора ударной волны.

4. Прогнозирование экологической обстановки при авариях на химически опасных объектах

Экологическая безопасность функционирования 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 веществами является возможность их потенциального взрыва, пожара и выброса в биосферу в количествах, представляющих опасность массового поражения людей, животных и окружающей среды.

Исходя из оценки масштабов реальной опасности, зависящей не только от токсичности вещества, но и от величины их запасов и характера распространения в атмосфере, перечень ВВ, от воздействия которых в первую очередь необходимо обеспечивать защиту, можно ограничить девятью веществами, токсилогические характеристики которых приведены в табл. 1.

Основной характеристикой зоны химического заражения является глубина распространения облака зараженного воздуха. Глубина зоны химического заражения для ВВ определяется глубиной распространения первичного или вторичного облака зараженного воздуха. Первичным облаком называется облако газа токсичного вещества, образовавшегося мгновенно в результате разрушения или разгерметизации емкости. Вторичным облаком называется облако, образовавшееся в результате испарения ВВ с площади его разлива. В_в та б л.

2 приведены глубины опасных зон распространения первичного облака ВВ, образующегося при разрушении емкостей для хранения. Они рассчитаны для средних метеоусловий. В условиях инверсии глубина распространения будет увеличиваться в зависимости от скорости ветра в 1,1-3,0 раза; при конвекции - уменьшаться.

Время воздействия опасных концентраций зависит от типа и количества выброшенного ВВ, а также метеоусловий в районе аварии, и может колебаться от нескольких часов до нескольких суток. Например, при выбросе 50 тыс. т ВВ при температуре окружающей среды +20 °С время действия хлора, аммиака, фосгена и сероводорода составляет 1,8: 3,2; 1,7 и 6,7 суток соответственно.

Масштабы заражения ВВ в зависимости от их физических свойств и агрегатного состояния рассчитываются:

для сжиженных газов - отдельно по первичному и вторичному облаку;

для сжатых газов - только по первичному облаку;

для ядовитых жидкостей, кипящих выше температуры окружающей среды, - только по вторичному облаку.

5. Определение количественных характеристик выброса ВВ

Площадь зоны возможного заражения первичным облаком ВВ определяется по 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 угловые размеры зон возможного заражения составляют:

Площадь зоны фактического химического заражения рассчитывается по формуле:

где К - коэффициент, зависящий от степени вертикальной устойчивости воздуха: при инверсии - 0,081, при изотермии - 0,133, при конвекции -0,235; /V- время, прошедшее после начала аварии, ч.

Длительность подхода зараженного облака к населенному пункту, расположенному на пути его движения, определяется по формуле:

где х - расстояние от промышленного объекта до населенного пункта, км; V- скорость переноса фронта облака зараженного воздуха, км/ч.

Критерий оценки степени загрязнения атмосферного воздуха по максимальным разовым концентрациям

Критерий оценки степени загрязнения атмосферного воздуха по среднесуточным концентрациям

Коэффициенты, отражающие конструкцию промышленного здания

Коэффициенты трения /между поверхностями различных конструкционных материалов

Коэффициенты аэродинамического сопротивления С_х для объектов различной формы

Допустимые напряжения болтов на разрыв в зависимости от размеров

Основные нагрузки, воспринимаемые радиоэлектронной и оптической аппаратурой в процессе эксплуатации