Количественная оценка опасности поражения человека тепловым излучением при пожарах на химических и нефтехимических предприятиях

На современных химических и нефтехимических предприятиях обращаются огромные количества энергонасыщенных веществ. Аварийные ситуации, связанные с разгерметизацией оборудования и возникновением пожаров, могут иметь катастрофические последствия для окружающей среды, обслуживающего персонала и населения рядом расположенных жилых территорий. Разработка мероприятий по обеспечению пожарной безопасности таких объектов в соответствии с действующим законодательством [1] должна базироваться на научно обоснованных методиках количественной оценки риска пожарной опасности, устанавливающих соответствие реальных рисков законодательно установленному предельному значению.

Задача оценки пожарных рисков является неотъемлемой частью этапов проектирования опасных производственных объектов (ОПО), разработки деклараций промышленной безопасности, планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций, разработки инженерно технических мероприятий по защите персонала и населения от возможных аварий и в ряде других случаев. Данная задача особенно актуальна для химических отраслей промышленности, поскольку аварии на предприятиях химического профиля имекэт особо тяжелые последствия. В соответствии с регламентом РД 03−418−01 [2] при анализе последствий аварий необходимо использовать модели протекания аварийных процессов, а также обоснованные критерии поражения людей и разрушения изучаемых объектов.

Разработка научно обоснованных методов прогнозирования опасности высокоинтенсивного нагрева человека, как при проектировании пожароопасных объектов, так и в аварийных ситуациях является актуальной социально-экономической проблемой.

I 1.

В настоящее время с возрастанием вероятности возникновения природных и техногенных катастроф, локальных военных конфликтов, террористических актов актуальность проблемы усиливается.

Основой анализа пожарного риска является количественная оценка степени тяжести последствий реализации опасности аварий для здоровья человека. 1.

Опасными факторами на пожароопасных объектах является тепловое воздействие пожаров-вспышек (горение стехиометрических газопаровоздушных смесей), пожаров пролива горючих жидкостей, факельного горения истекающих из оборудования газов и паров, огненных шаров.

Основным механизмом теплопередачи от высокотемпературных источников к поражаемым объектам является тепловое излучение. При тепловом поражении людей возникает необходимость оказания безотлагательной помощи пострадавшим путем оперативного проведения организационно-технических мероприятий в условиях острого дефицита времени. По мнению медиков, эффективность оказания помощи пострадавшим в конкретной чрезвычайной ситуации зависит от оперативности получения объективной информации о количестве пострадавших, степени поражения, площади и глубине повреждения структурных слоев кожного покрова.

Такая информация может быть получена в Ситуационных центрах управления ЧС. Основой информационно-математического обеспечения таких центров должны быть информационные модели управления и модели с программными комплексами по оценке зон теплового поражения людей при воздействии поражающих факторов пожароопасных объектов. Разработка теоретических основ и экспериментальных методов для создания информационно-математических моделей является сложной научно-технической проблемой, в решении которой необходима концентрация усилий специалистов в различных областях знаний.

Проблема количественной оценки массового поражения людей тепловым излучением впервые возникла после первых испытаний атомного оружия в городах Хиросима и Нагасаки. Начиная с сороковых годов прошлого столетия и до настоящего времени, в ведущих научно-исследовательских Центрах США — NASA — US Naval Air Departament Development Center (Исследовательский центр морской авиации), Aerospace Medicine Research Center (Центр медицинских аэрокосмических исследований), University of Rochester (Университет Рочестера), NASAGeorge Marshall Space Flight Center (Центр космических полетов имени Г. Маршалла) накоплен огрЪмный объем экспериментальных данных по пороговым значениям количества облучения и критической температуре основного слоя кожного покрова человека и молочных поросят при воспроизведении термических ожогов.

Результаты исследований по воздействию теплового излучения постоянной плотности теплового потока на открытые участки кожного покрова обобщены в фундаментальных зарубежных монографиях [3−6].

Достоверность и большой объем экспериментальных исследований по воспроизведению ожогов II степени с вероятностью 0,5 послужили основой создания стандартного инструментального метода оценки теплозащитных свойств материалов ТРР (Thermal Protective Performance) m.

При расчете критической температуры экспериментально подтверждена аррениусовская зависимость скорости поражения кожного покрова от температуры. Эти данные используются в американских и международных стандартах [8, 9]. Однако в отечественных ГОСТированных методах оценки риска пожарной безопасности экспериментально обоснованным зарубежным разработкам должного внимания не уделяется. 1.

Кроме того, в отечественных ГОСТах и методиках оценки рисков в чрезвычайных ситуациях приводятся различные пробит-функции для расчета одной и той же степени термического ожога. Разница в результатах расчетах по этим функциям может составлять несколько десятков процентов. I.

Количественные методы оценки опасности поражения человека тепловым излучением необходимы для решения трех ключевых задач: о установления количественной зависимости между поглощенной дозой теплового излучения или температурой в структурных слоях кожи, вызывающие эффект появления термического ожога определенной степени тяжестио расчета температурного поля в структурных слоях кожного покрова для обоснования температурного критерия возникновения ожога и определения глубины термического пораженияо прогнозирования количества безвозвратных и санитарных потерь в зонах поражения тепловым излучением при авариях в химической и нефтехимической отраслях промышленности. Очевидно, решение всего комплекса задач может повысить информативность и эффективность организационно-технических мероприятий по ликвидации последствий ЧС и оказания оперативной помощи пострадавшим. Однако в отечественных и зарубежных методах оценки опасности теплового поражения решаются отдельные аспекты I рассматриваемых задач.

Так, в зарубежных методах используется зависимость между количеством облучения и временем его воздействия при воспроизведении ожога II степени только для вероятности 0,5. В тех же стандартах в качестве критерия теплового поражения используется интеграл от скорости поражения, зависящий от температуры на границе эпидермис — дерма (также для возникновения ожога II степени с вероятностью 0,5).

В отечественном стандарте [10] и Руководстве [11] в качестве зависимости доза — эффект применяется пробит-функция Эйзенберга, в I которой в качестве дозы, вызывающей летальный исход, используется логарифм индекса облучения. В отечественных регламентирующих документах [12 — 14] приводится пробит-функция для прогнозирования ожогов I и II степени и летального исхода с различной вероятностью, но расчеты по этим функциям существенно отличаются от данных зарубежных стандартов. Кроме того, в указанных документах отсутствуют методы расчета температурного поля в кожном покрове для различных степеней и вероятностей термического ожога.

В связи с изложенным важное прикладное значение имеет проведение сравнительного анализа отечественных и зарубежных стандартных методов оценки пожарного риска, гармонизация существующих отечественных и зарубежных расчетных методик, научное обоснование новых методов для оценки зон массового поражения тепловым излучением за счет построения вычислительных моделей для расчета температурного поля кожного покрова человека.

Состояние анализируемой проблемы, как в части целесообразности гармонизации количественных отечественных и зарубежных методов оценки последствий воздействия теплового излучения на человека при пожарах на химических и нефтехимических предприятиях, так и в части согласования температурных критериев возникновения термических ожогов мотивировало выбор цели и задач настоящего исследования.

Целью работы является научное обоснование и гармонизация отечественных и зарубежных расчетных методик по анализу пожарного риска в части количественной оценки последствий воздействия теплового излучения на биообъекты для различных сценариев развития аварийной.

I и ситуации на предприятиях химической и нефтехимической промышленности.

Для решения этой сложной междисциплинарной проблемы должны быть применены сопряженные модели и методы в области химической физики, вычислительной теплопередачи, управления, информатики, медицины и др.

В задачи исследования входило:

1. Обоснование пробит-функций для прогнозирования термических ожогов различной степени тяжести.

2. Построение математической модели процесса теплопередачи в структурных слоях кожного покрова и разработка алгоритма идентификации модели по опытным данным.

3. На основе численного эксперимента обоснование нового температурного1 критерия вероятностного характера, определяющего условия возникновения термических ожогов.

4. Повышение достоверности результатов проектных работ за счет гармонизации отечественных и зарубежных методов оценки опасности поражения человека тепловым излучением.

5. Повышение эффективности выполнения проектных работ за счет применения автоматизированных вычислительных методов прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь.

Научная новизна проведенных исследований может быть I сформулирована в виде следующих ключевых положений:

1. Проведена гармонизация отечественных и зарубежных расчетных методов оценки поражающего действия теплового излучения с применением критериев порогового импульса и критической температуры.

2. Обоснованы новые пробит-функции для прогнозирования порога болевого ощущения, ожогов I и III степеней с использованием зарубежных данных по тепловому поражения человека излучением с вероятностью 0,5.

3. Разработана новая вычислительная модель процесса теплопередачи в структурных слоях кожного покрова человека, учитывающая оптические свойства кожи и зависимость коэффициента теплопроводности структурных слоев от температуры.

4. Обоснован новый инвариантный к скорости нагрева критерий критической 1 температуры, определяющий условия возникновения ожогов II степени для различной вероятности поражения на глубине 0,36 мм от поверхности кожного покрова.

5. Предложен автоматизированный вычислительный метод прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь при воздействии теплового излучения пожаров на химических и нефтехимических предприятиях.

Личный вклад автора состоит в сравнительном анализе отечественных и зарубежных методов количественной оценки опасности I поражения человека тепловым излучением и их гармонизацииидентификации параметров вычислительной модели и проведении вычислительного эксперимента по определению глубины термического поражения кожного покроваобосновании пробит-функций для различных степеней термического пораженияразработке алгоритма автоматизированного расчета безвозвратных и санитарных потерь при воздействий теплового излучения пожаров на химических и нефтехимических предприятиях.

Основные результаты, выносимые на защиту: I.

• результаты гармонизации отечественных и зарубежных методов по количественной оценке последствий воздействия теплового излучения на человека;

• вычислительная модель для расчета температуры и глубины теплового поражения структурных слоев кожного покрова человека;

• инвариантный к скорости нагрева критерий критической температуры кожи в слое, расположенном на глубине 0,36 мм от наружной поверхности кожи, для прогнозирования ожогов II степениI.

• пробит-функции для порога болевого ощущения, ожогов I и Ш степеней для расчета вероятности возникновения термических ожогов;

• автоматизированный вычислительный метод прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь при воздействии теплового излучения пожаров на химических и нефтехимических предприятиях.

Практическая значимость полученных результатов заключается:

• в совершенствовании существующих методов оценки пожарного риска в части оценки последствий воздействия теплового излучения на биообъекты при реализации различных сценариев развития аварийной ситуации с образованием огненного шара, пожара разлития, пожара-вбпышки, факельного горения углеводородного сырья на предприятиях химической и нефтехимической отраслей промышленности;

• в получении дополнительной информации о скорости теплового поражения и глубине термических повреждений в зависимости от температуры структурных слоев кожного покрова за счет использования тепловой вычислительной модели для расчета нестационарного температурного поля кожного покрова;

• повышение достоверности результатов проектных работ за счет гармонизации отечественных и зарубежных методов в части прогнозирования санитарных потерь при поражении человека тепловым излучением;

• в повышении эффективности проектирования опасных производственных объектов в части разработки деклараций промышленной безопасности, ПЛАСов, а также эффективности организационно-технических мероприятий по предотвращению и I.

11 снижению тяжести последствий аварий в химической и нефтехимической отраслях промышленности.

Реализация и внедрение результатов работы. Программный продукт «Автоматизированный вычислительный комплекс по прогнозированию безвозвратных и санитарных потерь при воздействии теплового излучения пожаров», разработанный в диссертации, используется проектным 'институтом «Союзхимпромпроект» ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» при оценке рисков получения персоналом опасных производственных объектов термических ожогов различной степени тяжести (Справка № 21−72 от 06.05.2010) и ООО «Эксперт Бюро» (г. Казань) при разработке Деклараций промышленной и пожарной безопасности и в расчетной части специальных разделов проектов ряда опасных производственных объектов (Акт № 61/10 от 27.04.2010). Копии указанных документов приведены в Приложении к диссертации.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в.

11 публикациях, в том числе 5 научных статьях, опубликованных в научных изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, а также в материалах 6 Российских и международных научных конференций. В названных публикациях полностью отражены основные положения диссертации.

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, форумах, симпозиумах:

1. Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы специальной технической химии». — Казань, 2007 г.

2. 7-я Международная конференция «Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф». — Томск, 2008 г.

3. XXII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» — Псков, 2009 г.

4. Международная конференция «Химическая и радиационная физика».

— Москва, Президиум РАН. 23- 29 августа 2009 г.

Структура диссертации включает в себя введение, четыре главы, выводы, список использованных источников, приложения.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Проведена гармонизация методов оценки опасности теплового поражения человека по критерию порогового импульса облучения с применением зарубежных экспериментальных данных и отечественной пробит-функции при воспроизведении ожогов II степени с вероятностью 50%.

2. Для гармонизации расчетных методов прогнозирования опасности теплового поражения, основанных на использовании теоретических моделей и температурных критериев возникновения ожогов зарубежных стандартов, построена новая тепловая математическая модель процесса теплопередачи в структурных слоях кожного покрова человека, учитывающая объемное поглощение излучения и зависимость коэффициентов теплопроводности структурных слоев кожи от температуры.

3. В вычислительном эксперименте с применением разработанной тепловой модели обоснован новый инвариантный к скорости нагрева критерий критической температуры на глубине 0,36 мм от поверхности кожи.

4. Осуществлена гармонизация функциональной зависимости скорости поражения от температуры на границе основного слоя кожного покрова, используемой в зарубежных стандартах, и зависимости вероятности теплового поражения от температуры на глубине 0.36 мм от поверхности кожного покрова с использованием отечественной пробит-функции для ожога II степени.

5. В дополнение к существующим ГОСТированным методам контроля пожарной безопасности в части количественной оценки последствий воздействия теплового излучения в различных сценариях развития аварийной ситуации в данной работе предлагаются новые гармонизированные с зарубежными стандартами температурный критерий возникновения ожогов и пробит-функции для оценки вероятности порога болевого ощущения, ожогов I и Ш степеней.

6. Предложен автоматизированный вычислительный алгоритм прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь с использованием новых пробит-функций при воздействии теплового излучения пожаров на химических и нефтехимических предприятиях.