Антипьев Владимир Наумович, Заслуженный деятель науки РФ, профессор
(ООО «Энергия-2», г.Тюмень)

This article provides an analysis of the results of calculations of the effects of accidental releases of hazardous substances presented in [5, 6]. Shows that the authors of this work, unfounded and not realities. The main reasons for the lack of a real accident indicators calculation. Invited to take into account the particular properties of liquids in forming clouds overheated vapour and later dispersal of accidental releases of dangerous substances, taking into account wind speed. Keywords: TOXI+, accidental release, footprint, chlorine, propane, overheated liquids.

Ключевые слова: ТОКСИ+,  аварийный выброс, зоны поражения, хлор, пропан, перегретые жидкости.

В соответствии с Федеральным законом N 225-ФЗ [1] с 1 января 2012 года вступают в силу требования по обязательному страхованию гражданской ответственности владельца опасного объекта за причинение вреда. Согласно этому закону  страховая сумма будет определяться в зависимости от ожидаемого числа погибших  в результате возможной  аварии. Так, при ожидаемом числе погибших свыше 350 человек страховая сумма достигает 6,5 млрд. рублей. Ожидаемое число  погибших должно определяться в результате проведения анализа риска. В такой ситуации повышаются требования к  методикам  и программным комплексам, используемым при поведении анализа риска. При обосновании  сценариев развития аварий должны рассматриваться реальные опасности, отвечающие реальным физическим условиям, а не виртуальные, надуманные  опасности.

Специалистами ООО «НТЦ «Промышленная безопасность» разработан программный комплекс «ТОКСИ+risk», в основе которого положено методическое руководство РД-03-26-2007 и «ТОКСИ. Редакция 2.2» [2]. Анализу  методического руководства РД-03-26-2007 были посвящены работы [3,4], в которых отмечены  неточности, ошибки и физически не обоснованные допущения в ряде определений  и математических моделях, что в отдельных случаях приводит к значительному  не реальному завышению опасности. Подтверждением  этого являются результаты  расчетов, представленные в работах [1, 10]. Анализу результатов этих расчетов и выводов, сделанных ее авторами и посвящена настоящая статья.

Авторы работы [5] утверждают: «одним из основных критериев обоснованности методик и программных продуктов должны быть результаты их верификации с другими программами, данными экспериментов и результатами расследования аварий». Однако с приведенным  утверждением  можно согласиться только частично.  Не ясно, что вкладывают авторы в понятие «верификация»? В Большой советской энциклопедии [7] приводятся следующие определения:

верификация – это «эмпирическое подтверждение теоретических положений науки путем «возвращения»  к наглядному уровню познания, когда идеальный характер  абстракций  игнорируется  и они отождествляются  с «наблюдаемыми» объектами»;

верификация – это «построение наглядной модели для любой теории».

Обоснованием  достоверности и точности моделей, методик и созданных на их основе программных комплексов может служить  только сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными. Проведение экспериментов с опасными веществами сопряжено большими трудностями и огромными затратами. Поэтому зачастую приходится сопоставлять результаты реально произошедших аварий с расчетами, выполненными по разработанным методикам.  Однако такое сопоставление  может только  косвенно оценить  противоречат или нет  результаты расчетов  фактическим данным произошедшей аварии, но никак  не доказательством достоверности  рассматриваемой модели  или методики.

Любая методика не может использоваться в качестве эталона для оценки других методик.  Можно сравнивать результаты расчетов, выполненных по различным методикам  для одной и той же задачи. Но это будет всего лишь сравнение результатов  расчетов и не более того, но никак не может являться подтверждением достоверности методики.

В работе [5] отмечается, что «программный комплекс «ТОКСИ+» (и его версия «ТОКСИ+Risk» для оценки риска) успешно используют более 250 купных российских и зарубежных организаций нефтегазового профиля и организаций, специализирующихся  в области анализа риска». Однако  объем практического внедрения той или иной методики также не является доказательством  ее достоверности и обоснованности, это всего лишь показатель бизнеса, особенно когда в объёме реализации присутствует элемент административного ресурса.

Любая математическая модель является всего лишь моделью и насколько она отвечает реальным условиям, может подтвердить только эксперимент. Данные обследования произошедших аварий часто носят субъективный характер, а порой даже искажены.

В работе [5] представлены результаты расчетов последствий аварийных выбросов опасных веществ по программным комплексам ТОКСИ+ и  PHAST для  двух аварий: одна — модельная, другая – реальная, произошедшая  6 января 2005 г. в штате Южная Каролина (США). Общим в рассматриваемых авариях является то, что в обоих случаях рассматривается перегретая жидкость — в одном случае сжиженный пропан, в другом случае сжиженный хлор, которые имеют общие свойства. При положительных температурах эти вещества могут находиться в жидком состоянии только благодаря давлению. В цистернах устанавливается давление, равное давлению насыщения, значение которого для каждого вещества  зависит  только от значения  температуры  содержания перегретой  жидкости и не зависит от ее  количества в цистерне. С понижением температуры давление насыщения уменьшается. Одним из основных свойств перегретых жидкостей  является способность их  при атмосферных условиях к очень быстрому (взрывному) вскипанию по всему занимаемому объёмному, то есть к быстрому  переходу в парообразное состояние. Различие рассматриваемых в [5] аварий заключается в размерах цистерн, количестве содержащегося в цистернах опасного вещества и в размерах сквозных отверстий. При этом хлор обладает токсичными свойствами, а пропан относится к горючим  опасным веществам.

В модельной аварии рассматривается разгерметизация цистерны с содержанием 5 т сжиженного пропана при температуре 20оС и давлении 0,86 МПа. В качестве разгерметизации рассматривается сквозное отверстие в стенке цистерны диаметром 20 мм. Истечение пропана происходит в присутствии ветра со скоростью 2 и 5 м/с на свободную бетонную поверхность. Исходной информации по модельной аварии, представленной в работе [5], явно недостаточно для количественного анализа результатов расчетов. Можно провести только качественный анализ с учетом физических явлений, которые возникают при аварии. При истечении пропана в атмосферу происходит наложение нескольких, одновременно протекающих физических процессов: истечение жидкого пропана в виде  струи с достаточно большой скоростью, объемное взрывное вскипание жидкого пропана и перемешивание выброшенного вещества с воздухом благодаря турбулентной  и молекулярной диффузии. В случае, когда на пути вытекающей струи стоит твердая преграда, то происходит удар струи о твердую стенку. В результате механического взаимодействия струи с твердой стенкой происходит диспергирование оставшейся жидкой части (т.е. той части пропана, которая еще не перешла в парообразное состояние) и разбросу пропана  на большие расстояния. В случае, когда вытекающая струя  не  встречает твердые препятствия, то будет происходить взаимодействие струи с потоком воздушной массы. На  это взаимодействие существенное влияние оказывает направление скорости  вытекающей струи, направление и скорость ветра. Для рассматриваемой модельной аварии истечение происходит на бетонную поверхность и первоначальная скорость  вытекающей струи будет достигать около 58 м/с. Разброс пропана в виде пара и аэрозоля при ударе о твердую стенку  будет находиться в радиусе около 50м. При определении времени полного опорожнения цистерны необходимо учитывать, что скорость истечения пропана будет со временем уменьшаться [8].

Проведенный анализ модельной аварии позволяет сделать вывод: вторичное облако (в случае перегретой жидкости) уже на стадии его  формирования будет разбавлено воздухом. Допущение, принятое в методическом руководстве РД-03-26-2007, а, следовательно, и в программном комплексе «ТОКСИ+», — «в начальный момент времени в облаках (первичном и вторичных) опасное вещество воздухом не разбавлено» [2], — не состоятельно. Поэтому результаты  расчета для  модельной аварии, представленные в работе [5], вызывают сомнение.

В реальной аварии при столкновении двух поездов на железной дороге в одной из цистерн, в которой находилось опасное вещество – сжиженный хлор в количестве 82 т,  было пробито отверстие, через которое и произошел выброс опасного вещества в атмосферу. Для более полного понимания проводимого анализа приведем обстоятельства аварии, которые описаны в работах [5, 6].

Глубокой ночью в промзоне небольшого городка при столкновении двух поездов на железной дороге произошло разрушение цистерны, содержащей сжиженный хлор. Сцепкой соседнего вагона было пробито отверстие около 90 см в длину и около15см в ширину. Облако хлора, по сообщению очевидцев, было низко стелющимся и вытянутым на север (по направлению ветра) на 825 м, на юг (против ветра) – на 300 м и в боковом направлении (на запад и восток) – на 330 м. Согласно показаниям метеостанции, расположенной на расстоянии 27 км от Грэнитвилля, температура воздуха составляла 13оС, ветер дул с юго-запада, со скоростью 2-3 м/с. Очевидцы же отмечали, что на месте аварии ветер практически отсутствовал. Отмечается, что хлор при транспортировке находился при температуре – 3оС. При разгерметизации цистерны произошло его вскипание, часть жидкого хлора пролилась на подстилающую поверхность, часть в охлажденном виде осталась в цистерне. По различным оценкам в цистерне осталось до половины содержимого. Хлор находился внутри цистерны еще несколько дней после аварии.

В результате аварии погибли девять человек: машинист локомотива, местный житель, водитель грузовика и шесть рабочих предприятий, расположенных поблизости от места аварии. Согласно результатам расследования все погибшие находились в хлорном облаке около 10 минут. За медицинской помощью обратились 554 человека. Среди пожарных, прибывших сразу на место аварии, было шесть пострадавших, один из которых провел в больнице несколько дней. Также пострадали два представителя шерифа, приехавшие в первые минуты после столкновения поездов.

В локомотиве поезда находилось два человека, один из них погиб, он умер в больнице спустя несколько часов. Причем сразу после аварии оба железнодорожника смогли самостоятельно выйти с места аварии и лишь, пройдя около 100 м, упали на землю, где их подобрали рабочие близлежащих фабрик и отвезли в больницу. Многие люди, находившиеся  вблизи аварии, предприняли попытку  выйти из облака и оказались среди выживших. Осталась в живых и работница, дежурившая на одной из фабрик и находившаяся в 60-70 м от места выброса. Она сразу же  позвонила в службу спасения, а  еще через 1 минуту почувствовала запах хлора и вышла из зоны поражения.

Пожарные и представители шерифа начали выводить людей из зоны поражения уже через несколько минут после аварии. А спустя час спасатели в защитных костюмах подошли к месту аварии и начали вывод оставшихся там людей. Так был спасен человек, блокированный в автомобиле под деревьями, упавшими при крушении. Освобождены люди, запертые в помещениях близлежащих фабрик, их успешно эвакуировали спустя более 2 часов после аварии.

Из приведенной информации об аварии не все можно принимать  на веру. Вызывают сомнение, например, данные о температуре транспортирования хлора (минус 3оС), в то время как температура  воздуха составляла плюс 13оС. Вызывает сомнение и то, что часть жидкого хлора пролилась на подстилающую поверхность  и что «по различным оценкам в цистерне осталось до половины содержимого. Хлор находился внутри цистерны еще несколько дней после аварии». Это означает, что температура хлора, пролитого на земную поверхность, а также хлора, оставшегося в цистерне должна быть равна минус 34,1оС (температура кипения хлора при атмосферном давлении). Вызывает сомнение и информация очевидцев, которым в ночное время удалось с такой точностью определить форму и размеры облака на местности, на которой имеется множество построек (авария произошла в промзоне).

Однако  не вызывают сомнения данные о числе погибших и числе обратившихся за медицинской помощью, так как эти факты были зафиксированы в соответствующих документах медицинских учреждений.

Приведенные данные об аварии, позволяет сделать важные выводы. Рискующих людей, находящихся в достаточной близости от аварии, было достаточно большое количество. Число погибших людей – составило всего 9, из них восемь человек находилось в помещении.

Результаты расчетов зон действия поражающих факторов для одной и той же  приведенной аварии, выполненные авторами работ [5, 6], представлены графически на рис. 1 и 2.  На рис.1 представлены данные расчетов [5] по двум методикам:  «PHAST» (рис.1,а и 1,в) и «ТОКСИ+» (рис.1,б и 1,г), для двух значений скорости ветра – 1 м/с (рис.1,а и 1,б) и 2 м/с (рис.1,в и 1.г). На рис.2 представлены данные расчетов [6] по двум методикам: «ТОКСИ+» и «ТОКСИ-2».

Рис.1. Расчетные зоны вероятности смертельного поражения людей при выбросе хлора:Красным цветом (кривые 1) соответствуют смертельному поражению с вероятностью  90%, зеленым цветом (кривые 2) соответствуют смертельному поражению  с вероятностью 50%.
Рис.2. Схема расположения погибших при аварии в Грэнитвилле (США, 06.01.05) и расчетные зоны смертельного поражения при разной скорости ветра: а – 1 м/с; б – 2 м/с;кривая 1(красным цветом) — граница  зоны смертельного поражения  согласно «Токси-3» (РД -03-26-2007); кривая 2 (зеленым цветом)- граница  зоны смертельного поражения  согласно «Токси-2».

Анализ расчетных данных, представленных на рис. 1 и 2, позволяет сделать важные выводы. Из рис.1 видно, что закономерность влияния скорости ветра на границы зон действия поражающих факторов, по методикам «PHAST»  и «ТОКСИ+» совершенно иная. Так, с увеличением скорости ветра зона действия поражающих факторов по методике «PHAST» уменьшается, а по методике «ТОКСИ+» — увеличивается. По обеим методикам практически вся  промзона  попадает в зону действия поражающих факторов с вероятностью  90% гибели людей. Если принять расчеты по указанным методикам за основу, то количество погибших на порядок, а то и на два порядка должно превосходить  фактическое значение. По крайней мере, 90% от числа обратившихся за медицинской помощью  (т.е. от 554 человек) должны быть в числе погибших. Такое расхождение расчетных значений  от фактических дает право усомниться  в результатах расчетов.

Из  рис.2, видно, что зона действия поражающих факторов  со смертельным исходом, рассчитанная по  методике «ТОКСИ-2»  представляет собой узкую полосу,  уходящую в бесконечность (область, ограниченная зеленой линией). Сами авторы указывают на непригодность этой методики для случая с тяжелым газом (плотность газообразного хлора при стандартных термодинамических условиях составляет около 3,2 кг/м3).

Авторы работы [5] по результатам расчета зон действия поражающих факторов для двух аварий, одна из которых реальная, другая модельная, делают выводы:

1. «Программные комплексы ТОКСИ + и PHAST предназначены для решения задач по количественному анализу риска аварийных выбросов опасных веществ и имеют схожие возможности  для расчета основных физических эффектов и показателей риска, связанных с тепловым, барическим и токсическим поражением людей при авариях».

2. «Результаты расчета размеров зон вероятности поражения при выбросах горючих и токсичных веществ, в том числе при сравнении с данными реальной аварии  с хлором по этим двум программным комплексам имеют удовлетворительное согласие».

С такими выводами нельзя согласиться. По первому выводу следует обратить внимание на то, что в самой статье [5] не рассматриваются тепловые и барические эффекты и поэтому какие-либо выводы по тепловым  и  барическим эффектам вообще нельзя делать.

Со вторым выводом также нельзя согласиться вследствие того, что имеет место большое расхождение расчетных значений от  фактических  результатов  реальной аварии с хлором. Скорее можно сделать вывод, что расчеты, выполненные по программным комплексам «ТОКСИ +» и «PHAST» дают неудовлетворительные результаты по сравнению с данными конкретной реальной аварии с хлором.

Правомерно тогда задать вопрос: в чем причина такого расхождения результатов расчетов по «ТОКСИ +»  с данными реальной аварии?

Причину необходимо искать в самой методике «ТОКСИ+», в заложенных в ней моделях.

Всякая модель основана на принятии определенных допущений и условий, каждое из которых вносит определенную погрешность в конечные результаты расчетов и устанавливает границы применимости  той или  иной модели.  Так, в руководстве [2] принята физическая модель  мгновенного формирования первичного облака опасного вещества цилиндрической формы, причем это облако не разбавлено воздухом.

Канд. техн. наук С.И. Сумской утверждает [9], что «цилиндрическая форма для «первичного» облака  в наиболее точном виде отвечает реальным фактам, наблюдаемым в эксперименте» и приводит фотографию одного из экспериментов в Торней Айленде (рис.3), но при этом он забыл упомянуть условия эксперимента: облако газообразного вещества  сформировано цилиндрической формы искусственно с помощью пленки в штилевых условиях. Пленка  мгновенно сбрасывается.  На фотографии  (в верхней части и у подножия облака) видны фрагменты сброшенной пленки. Давление в созданном облаке равно атмосферному. Фотография сделана в первые секунды после сбрасывания пленки. Из этой фотографии видно, что уже в первые секунды облако начинает менять форму, границы облака размытые. Особенно четко это прослеживается в левой и верхней частях облака. Интересно было бы проследить за изменениями размеров и формы облака в динамике, т.е. в  разные моменты времени.

Размывание облака можно объяснить протеканием диффузионных процессов, в результате которых происходит взаимное проникновение  как молекул воздуха в облако,

 

Рис.3. Первичное облако газообразного вещества, созданное искусственно (эксперимент в Торней Айленде) [9].

 

так и молекул  газа (в том числе и молекул опасного вещества) из облака в окружающую воздушную массу. При отсутствии ветра будет иметь место только молекулярная диффузия. Взаимопроникновение частиц газа и воздуха происходит в соответствии с законами молекулярной физики для газовых сред. Диффузия происходит в направлении падения концентрации вещества и ведет к равномерному распределению вещества по всему  объему и выравниванию химического потенциала вещества.

Если газ под пленкой находился бы под избыточным давлением, то картина была бы совершенно иной. Облако начало бы расширяться в соответствии со свойствами гидростатического давления (гидростатическое давление по всем направлениям действует одинаково), принимая более или менее правильную форму шара или при определенных условиях форму усеченного  шара с плоским основанием.

Согласно методическим указаниям РД-03-26-2007, которые положены в основу программных комплексов «ТОКСИ+» и «ТОКСИ+Risk», первичное облако цилиндрической формы образуется мгновенно, причем облако не разбавлено воздухом, а его радиус R (при отсутствии данных о начальных размерах  облака) принимается  равным его высоте H и вычисляется по формуле [2]

    (1)

где  Q — масса опасного вещества, перешедшая в парообразное состояние и образовала первичное облако, кг.

Pn плотность паров опасного вещества,  кг/м3.

Значение радиуса первичного облака для случая рассматриваемой реальной аварии, вычисленное по формуле (1), будет находиться в пределах от 15 до 20 м  в зависимости от принятого значения  количества вылившегося хлора. Все люди, находящиеся в пределах указанного радиуса, должны были погибнуть уже  в первую  секунду аварии. Так как даже один вдох чистого хлора (неразбавленного воздухом) приводит к летальному исходу.   Со временем облако должно расширяться и зона действия поражающих факторов со смертельным исходом должна увеличиваться. Смертельная токсодоза для хлора составляет 6,0 (мг мин)/л, пороговая токсодоза – 0,6 (мг мин)/л. Смертельную дозу опасного вещества можно получить и при малых концентрациях этого вещества в воздухе за счет увеличения времени экспозиции (времени пребывания в облаке).

Для случая реальной аварии с хлором первичное  облако не может сформироваться мгновенно. Процессами, протекающими в первые минуты разрушения цистерны, пренебрегать нельзя. Будут одновременно протекать процессы истечения жидкого хлора через отверстие  в стенке цистерны, удар вытекающей струи о твердую преграду, дробление и разброс на большие расстояния жидких капель, взрывное вскипание (фазовый переход) перегретого хлора, смешение  опасного вещества с воздушной массой благодаря турбулентной диффузии, обусловленной скоростью ветра. Именно эти процессы  играют основную роль в создании и формировании облака паровоздушной смеси.

Скорость, с которой будет вытекать хлор через отверстие в цистерне, будет составлять приблизительно  16 м/с. В соответствии с [8] полное опорожнение цистерны  произойдет приблизительно за 25 секунд. Вылетающая с такой скоростью струя, ударяясь о твердую  преграду, разлетается по всем направлениям в виде аэрозоли и свободного пара  (с учетом фазового перехода) в радиусе около 35 – 40 м. Происходит одновременное смешение с воздухом, этому смешению способствует турбулентная диффузия. За первую секунду произойдет выброс хлора в количестве около 3300кг. С учетом вышеперечисленных процессов первоначальная концентрация хлора в облаке составит около 0,02% (объемных). За следующую секунду времени будет выброшено в атмосферу приблизительно такое же количество хлора. При этом объем облака несколько увеличится и концентрация  хлора в нем возрастет, так как на части пространства происходит наложение двух концентраций. И так процесс  истечения, смешения хлора с воздухом  и формирование облака  будет непрерывным  до тех пор, пока полностью  не завершится процесс опорожнения. Причем в течение периода опорожнения концентрация облака будет возрастать. После завершения истечения  процесс смешения облака с воздушной массой и перемещения его в пространстве будет продолжаться с непрерывным уменьшением концентрации ОВ. То есть каждому моменту времени будут  соответствовать  свои границы облака и значения концентрации опасного вещества в нем.

Следовательно, первичное облако опасного вещества на примере реальной аварии с хлором уже в первые секунды разбавлено воздухом. Именно этим можно объяснить тот факт, что все люди, находившиеся вблизи от места аварии, не погибли сразу, и в течение длительного времени продолжались спасательные работы по выводу людей из загазованной территории, а число жертв от аварии было ограниченным и значительно меньшим, по сравнению с  расчетами по программному комплексу  «ТОКСИ +».

Если бы не было ветра, т.е. в условиях абсолютного штиля, паро-воздушное облако, приняло бы  форму усеченного шара. В присутствии ветра облако будет сноситься по ходу ветра с одновременным перемешиванием с воздухом и изменением формы. По большому счету, первоначальная форма облака не имеет принципиального значения, т.к. облако, попадая в воздушный поток, становится   частью потока воздуха с поперечными размерами, определяемыми масштабом турбулентности и первоначальным радиусом разброса опасного вещества. Температуру смеси и концентрацию ОВ в смеси (благодаря интенсивному перемешиванию) можно считать в каждый фиксированный момент времени одинаковыми в пределах нормального сечения  облака (как части потока воздуха).

Воздушный поток обладает значительной интенсивностью турбулентного перемешивания, благодаря которому воздушный поток может переносить взвешенные частицы веществ, плотность которых многократно превышает плотность воздуха [10]. Основной вклад в передачу количества движения, тепла и массы, как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях, вносят крупномасштабные компоненты турбулентности (масштабы которых соизмеримы с масштабами течения в целом).  При построении  полуэмпирических теорий тепломассопереноса в турбулентных потоках используется аналогия между турбулентным и молекулярным переносом, по аналогии вводятся понятия пути перемешивания, интенсивности турбулентности, коэффициента турбулентной диффузии и т.д.

В соответствии с гипотезой акад. А.Н. Колмогорова тепло-массообменные процессы  в турбулентных потоках носят каскадный характер.  Для турбулентных течений характерны наличие беспорядочных хаотических пульсаций скорости по всем направлениям, беспорядочное перемешивание пульсационных объёмов («молей», «вихрей») газа между собой, именуемое турбулентной диффузией газа, превосходящей по своей интенсивности молекулярную диффузию на несколько порядков. В турбулентном потоке присутствуют вихри всех масштабов. Каждому масштабу характерна своя частота пульсаций, определяемая как число изменений амплитудных значений пульсационной скорости в секунду. Инородные частицы (например, частицы аэрозоля) будут подхватываться вихрями, масштаб которых больше размера частицы, и переносится в пространстве как единое целое. Внутри вихрей самого малого масштаба отдельные молекулы газа, так же как и броуновские частицы,  находятся в постоянном хаотическом  тепловом движении и тепломассоперенос в этих вихрях определяется молекулярной диффузией. Эти вихри переносятся вихрями большего масштаба как единое целое. Последние вихри, в свою очередь, переносятся в пространстве вихрями еще большего масштаба, и т.д.

После завершения формирования облака начинается процесс рассеяния опасного вещества в атмосферу. Для расчета этого процесса в РД-03-26-2007 предлагаются математические модели распределения концентрации для первичного и вторичного облаков. Анализу математической модели рассеяния для первичного облака посвящены работы [3,4].

Представляется целесообразным провести анализ закона распределения концентрации опасного вещества для случая вторичного облака, который  описывается зависимостями

,  при  и ,                                     (2)

,  при  и ,  (3)

,  при  и .                                                         (4)

К ним добавляются следующие соотношения

,                                                                     (5)

,                                                     (6)

,                                                                 (7)

,                               (8)

В выражениях (2) – (8) приняты те же самые  обозначения, которые представлены  в Приложении 2 руководящего документа РД-03-26-2007 [2]:

Сi — концентрация опасного вещества в некоторой точке (x,y,z) при рассеянии вторичного облака, образующегося на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, кг/м3;

Cцi — концентрация опасного вещества в центре облака в некоторый момент времени при рассеянии вторичного облака, образующегося на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, кг/м3;

Syi — горизонтальная дисперсия при рассеянии вторичного облака, образующегося на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, м;

Szi — вертикальная дисперсия при рассеянии вторичного облака, образующегося на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, м;

bi — полуширина ядра вторичного облака, образующегося на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, м;

Xпi — координата передней кромки вторичного облака, образующегося на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, м;

Xзi ‑ координата задней кромки вторичного облака, образующегося на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, м;

qi — расход опасного вещества (газообразного и находящегося в жидкой фазе) во вторичном облаке, образующемся на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, кг/с;

Вэффi — эффективная полуширина вторичного облака, образующегося на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, м;

Hэффi- эффективная высота вторичного облака, образующегося на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, м;

Uэффi- эффективная скорость движения вторичного облака, образующегося на l-ой стадии поступления опасного вещества в атмосферу в i-ом сценарии, м/с;

aв — показатель степенной зависимости скорости ветра от высоты;

b ‑ вспомогательный коэффициент, b=1+aв;

Г — гамма-функция;

z10 ‑ стандартная высота, на которой задается скорость ветра, принимается равной 10 м;

— скорость ветра на высоте z10, м/с.

Следует отметить, что руководящим документом [2] предусмотрена возможность последовательной реализации нескольких стадий аварии. Для каждой из этих стадий рассчитывается свое вторичное облако. В отдельных случаях может реализоваться только одна  стадия аварии.

Из выражений (2) и (3) следует:

— что в любой фиксированной точке (x,y,z) вторичного облака концентрация не зависит от времени, т.е. остается постоянной величиной в пределах времени существования заданной стадии аварии, при переходе в другую стадию аварии концентрация во всех точках облака изменяет свое численное значение скачкообразно;

— распределение концентрации опасного вещества симметрично относительно координатной плоскости yoz, причем существует ядро облака, в пределах которого концентрация зависит только от координаты  z.

Необходимо отметить абсурдность условия (4). Концентрация не может быть равной нулю за указанными пределами х, т. к. в соответствии с РД вторичное облако представляет собой непрерывный поток опасного вещества в смеси с воздухом.

О каком рассеянии опасного вещества может идти речь, если концентрация в любой точке облака не изменяется со временем? Процесс рассеяния опасного вещества в обязательном порядке должен протекать во времени.

При турбулентном режиме никакого ядра быть не может (т.е.  должно быть равно нулю). Не реально и симметричное распределение концентрации ОВ в турбулентном потоке воздушных масс.

Определение , приведенное в Приложении 2 «Перечень условных обозначений…» Методических указаний РД-03-26-2007 [2], не соответствует физическому смыслу этого параметра, входящего в выражения (2) и (3). В самом деле, полагая в  выражении (2) значение  z , равным нулю, можно выяснить физический смысл   — это концентрация опасного вещества на поверхности земли, а не в центре облака. Концентрация на поверхности земли принимает максимальное значение. Следовательно, выражение (5) не является законом сохранения массы, как это утверждается в РД. Для того чтобы выражение (5) представляло собой закон сохранения массы, необходимо заменить в нем   на средне интегральное значение концентрации по всему облаку.

Выражения (6), (7) и (8)  не только  не обоснованы, но и противоречат физическому смыслу. В самом деле, в левой части равенств (6) и (7) стоят  и        , значения которых зависят от количества опасного вещества во вторичном облаке, в правой части этих равенств стоят  и , значения которых, как указывается в работе [11], зависят от «состояния атмосферы» и определяются «на основе экспериментальных данных». С математической точки зрения абсурдно приравнивать функции разных аргументов. К тому же в руководящем документе не дается четкого определения используемого понятия  «дисперсия».

Числитель в правой части выражения (8) упрощается: Г[(1+)/b] = Г(1) = 1, поскольку b=1+aв. Зачем было усложнять вид формулы?

Возникает также вопрос: каким образом в выражениях (7) и (8) попала специальная функция (Г- функция)? Неплохо бы авторам привести вывод этих формул.

В разделе 1. РД отмечается, что  методические указания учитывают переменную по высоте скорость ветра, принимая при этом степенную зависимость. Однако самой зависимости не приводится и  в действительности изменение скорости по высоте нигде не используется. Встречающийся в формулах показатель степени — это просто отвлеченное число и никак не характеризует значение скорости. Только в совокупности со степенной зависимостью этот показатель приобретет физический смысл. Но как только будут записаны степенные зависимости изменения скорости  по высоте для  трех слоев  атмосферы: от 0 до 20 м, от 20 до 50 м и свыше 50 м, — сразу же возникнут дополнительные вопросы и обнаружатся противоречия. Приводимые в табл.7.5 (Приложение 7) значения показателей степени для трех слоев атмосферы вызывают сомнения. Поэтому, чтобы снять эти сомнения, необходимо внести разъяснения или хотя бы поместить ссылку на работы, из которых было бы видно: как, кем и при каких условиях были получены значения показателя степени как функции шероховатости, состояния  атмосферы и высоты слоя.

Следует обратить внимание на то, что под ветром понимается горизонтальная составляющая движения  воздуха в атмосфере. В действительности  же движение воздуха имеет и вертикальную составляющую, которая значительно меньше горизонтальной. Значение скорости ветра существенно меняется по высоте. В близости к поверхности земли скорость ветра подчиняется логарифмическому закону изменения, а не степенному. Непосредственно на поверхности земли скорость равна нулю. По мере удаления от поверхности земли скорость ветра возрастает и  на определенных высотах может достигать 50 м/с и более. Скорость ветра определяют на метеостанциях  на определенной высоте (10 м).   Движение воздуха в атмосфере имеет турбулентный характер и только в непосредственной близости к поверхности земли существует ламинарный пограничный слой. Следует также отметить, что только профиль скорости можно строить только для квазиустановившегося турбулентного потока (называют также  регулярной турбулентностью). Для случая неустановившегося турбулентного течения построение профиля изменения скорости по высоте вообще не возможно, так как при построении  профиля скорости необходимо иметь значения осредненной по времени местной  скорости.

Расчеты, формально выполненные для вторичных облаков по формулам (2) – (8) дают «застывшие»  формы облаков (т.е. справедливы для любого момента времени). В качестве примера приведем результаты расчетов по методическому руководству [2], которые представлены в работе [6], для случая пролива на дневную поверхность стабильных жидкостей типа нефть, дизтопливо и т.п. (рис. 4).

Авторы [6] не указывают как долго будет держаться это облако (видимо, пока не произойдет взрыв). В соответствии с формулами (2) и (3) образованное вторичное облако неподвижно и  вообще не будет рассеваться. На  представленном рисунке приведены зоны действия поражающих факторов, соответствующие взрыву топливно-воздушной среды. На открытой поверхности на месте пролива нефти. в худшем случае возможны только пожары пролива. Физическое объяснение невозможности взрыва топливно-воздушных смесей на открытой поверхности  дается в работе [12].  Взрывы ТВС возможны только в закрытых помещениях. Следует отметить, что во всем мире  не зафиксировано ни одного случая взрыва облака паровоздушной смеси (образованное от испарения товарной нефти) на открытой поверхности.

 

Рис.4. Схема распространения вторичного облака  ТВС при аварийном выбросе и испарении стабильных жидкостей.Обозначения: 1 — источник выброса опасного вещества;  2 – источник инициирования ТВС; L – максимальная дальность дрейфа облака ТВС в направлении ветра; l – размер пролива  в направлении ветра; L1 расстояние, на котором достигается максимальная ширина облака; r – полуширина облака ТВС; RL2 – максимальный размер зоны поражения при взрыве с учетом дрейфа облака ТВС (от источника выброса).

 

Процесс испарения довольно длительный процесс  (исчисляется часами и сутками) и допущение о формировании вторичного облака с концентрацией опасного вещества, равной единице (т.е. облако не разбавлено воздухом), да ещё при наличии ветра, не реально. При разливе стабильной жидкости на дневную поверхность происходит её испарение в атмосферу и молекулы опасного вещества, попадая в воздух, становятся неотъемлемой частью воздуха. Возможны случаи, когда горючее опасное вещество вообще не будет создавать поражающих факторов, поскольку оно попросту будет рассеиваться в атмосфере, нанося при этом только экологический ущерб.

 

ВЫВОДЫ

Результаты расчетов последствий аварийных выбросов опасных веществ для аварии, произошедшей 6 января 2005г. в штате Южная Каролина (США), выполненных с применением программного комплекса «ТОКСИ+risk» и представленных в работах [5,6], не соответствуют основным показателям  реальной аварии. Принятая в руководящем документе РД-03-26-2007 модель мгновенного образования первичного облака не отвечает реальным условиям, т.к. не учитывает процессы, протекающие в период формирования этого облака.

— В результате анализа закона распределения концентрации опасного вещества для аварий с вторичными облаками выявлены существенные недостатки, которые противоречат физической сущности происходящих процессов.

Методическое руководство РД-03-26-2007 не пригодно для практического применения при проведении анализа риска аварий объектов, на которых обращаются опасные вещеста, являющиеся перегретыми жидкостями. Необходима существенная переработка этого методического руководства.

Список литературы 

  1. Федеральный закон N 225-ФЗ «Об обязательном страховании гражданской ответственности владельца опасного объекта за причинение вреда в результате аварии на опасном объекте».
  2. Методические указания по оценке последствий аварийных выбросов опасных веществ. РД-03-26-2007.  М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2008.  – 120с.
  3. Антипьев В.Н. Гармонизация методических руководств по анализу риска с Федеральными Законами. В научном журнале «Проблемы анализа риска», Том 6, 2009, №3, с.28-46.
  4. Антипьев В.Н. Модели и реалии/ Критический анализ методов оценки возможных последствий аварий. Научн. журн.  «Берг коллегия», № 5, 2010.- с.12-15.
  5. Сравнение результатов расчетов последствий аварийных выбросов опасных веществ  по программным комплексам ТОКСИ+ и PHAST / М.В. Лисанов, К.В. Ефремов, С.И. Сумской и др.//Безопасность  труда в промышленности. – 2011. -№ 2. – С.56-60.
  6. Сравнение результатов моделирования аварийных выбросов опасных веществ с фактами аварий. //С.И. Сумской, К.В. Ефремов, М.В. Лисанов, А.С. Софьин// Безопасность труда в промышленности. – 2008. — №10. – С. 42-50.
  7. Большая советская энциклопедия, т.4. М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1971.  – 600 с.
  8. Динамика аварийного опорожнения сосуда, заполненного сжиженным пропаном В.Н.Антипьев, В.Л.Мартынович, Н.М. Бухарова и др.// В журнале «Проблемы анализа риска. – 2010. — №4. — с. 66-71.
  9. Методы и методики оценки последствий промышленных аварий// Безопасность труда в промышленности. – 2010. — №12. – С. 62-63.
  10. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: «Наука», 1981. — 176 с.
  11. Верификация методик оценки последствий аварийных выбросов газа от источников продолжительного действия /С.И. Сумской, А.В. Пчельников, М.В. Лисанов и др.// Безопасность труда в промышленности. – 2005. — №8. – С. 28-35.
  12. Антипьев В.Н., Скаков И.А. Особенности взрыва топливно-воздушной смеси. В сб. «Безопасность критичных инфраструктур и территорий. Екатеринбург», УроРАН, 2011.–  с. 26-28.

                                                                                  Е-mail: antipevvn72@mail.ru

Антипьев В.Н., доктор технических наук, Засл. деятель науки РФ, профессор, директор ООО «Энергия-2».  Служебный  адрес: 625041, Тюмень, ул. Одесская, 9, офис 612, раб.тел. 8(3452) 52-18-44, факс  8(3452) 52-18-55, моб. тел. 890-88-74-71-85.