Моделирование и расчет последствий промышленных аварий

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

Е. В. Старовойтова, А. Д. Галеев

МОДЕЛИРОВАНИЕ 

И РАСЧЕТ ПОСЛЕДСТВИЙ 
ПРОМЫШЛЕННЫХ АВАРИЙ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2020

УДК 66.013.88(075)
ББК 35:65.9(2)248я7

С77

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

канд. техн. наук, доц. Л. Э. Осипова 

директор ООО «НПФ «Реконструкция» канд. техн. наук И. Р. Хайруллин

С77

Старовойтова Е. В.
Моделирование и расчет последствий промышленных аварий : учебное пособие / Е. В. Старовойтова, А. Д. Галеев; Минобрнауки России, 
Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. –
196 с.

ISBN 978-5-7882-2947-8

Изложены теоретические положения и основные формулы для расчета по
следствий аварий, характерных для объектов химической, нефтехимической и 
нефтеперерабатывающей отраслей промышленности. С целью закрепления теоретического материала приведены примеры решения задач, а также задания для 
самостоятельного выполнения. 

Предназначено для студентов направления подготовки 15.04.02 «Технологи
ческие машины и оборудование», а также для аспирантов направления подготовки 20.06.01 «Техносферная безопасность». Также может быть полезно студентам других направлений, изучающим вопросы обеспечения безопасности технологических процессов и производств.

Подготовлено на кафедре машин и аппаратов химических производств.

ISBN 978-5-7882-2947-8
© Старовойтова Е. В., Галеев А. Д., 2020
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 66.013.88(075)
ББК 35:65.9(2)248я7

В В Е Д Е Н И Е

Современная Россия – это страна с интенсивно развивающейся 

промышленностью. Каждый год повсеместно завершаются проекты по 
модернизации уже существующих производств и созданию новых. 
В качестве примера можно привести такую отрасль промышленности, 
как нефтепереработка. Добыча нефти в России стабильно увеличивается и на сегодняшний день составляет более 290 млн т/год. Глубина 
переработки, которая отражает уровень эффективности технологического процесса, также растет. Она в среднем составляет 74,3 % и достигает максимальных значений на современных заводах, например:

− АО «ГАЗПРОМНЕФТЬ-Омский НПЗ» – 92 %;
− ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» – 98 % после запуска 

нового комплекса по переработке нефтяных остатков в ноябре 2015 г.;

− АО «Антипинский НПЗ» – 98 % после запуска комбинированной 

двухсекционной установки глубокой переработки мазута в октябре 2016 г.

Всего же в России более 16000 предприятий и организаций, свя
занных с химической и нефтеперерабатывающей промышленностью, а 
также производством различных полимеров. 

Современные заводы представляют собой производственные 

комплексы, сосредотачивающие на своей территории огромные количества веществ. В частности, нефтеперерабатывающий завод мощностью 10–15 млн. т/год может хранить на своей территории до 500 тысяч 
тонн сырья, промежуточных продуктов и продукции, что эквивалентно 
5 мегатоннам в тротиловом эквиваленте.

Столь большое количество опасных производств, огромные объ
емы сопутствующих им взрывоопасных и ядовитых веществ, обращающихся на транспорте, а также повсеместный износ основных фондов 
и применение новых технологических процессов, для которых еще нет 
статистики аварий, – все это вызывает серьезные опасения по поводу 
возможных аварий и их последствий. 

Крупные пожары, выбросы токсичных и/или взрывоопасных ве
ществ в атмосферу способны приводить к многочисленным жертвам и 
серьезным разрушениям.

Приведем некоторые примеры крупномасштабных аварий:
– 21 сентября 1921 г. произошел взрыв смеси нитрата и сульфата 

аммония массой 4500 т на предприятии BASF в Оппау (Германия); 

погиб 561 человек, более 1500 получили ранения, 75 % зданий в Оппау 
были разрушены;

– 13 декабря 1926 г. в Сент-Обане (Франция) произошел розлив 

24 т хлора; погибли 19 человек;

– 24 декабря 1939 г. в Зарнешти (Румыния) произошла утечка 

хлора; погибли 60 человек;

– 16 апреля 1947 г. в Техас-Сити (США) в результате пожара и 

ошибочных действий экипажа судна произошел взрыв корабля, перевозившего нитрат аммония; позднее из-за «эффекта домино» пострадали 
склады на пристани, нефтехранилище близлежащего химического 
предприятия и соседние суда; за два дня погибли 552 человека, пострадало более 5000 и 200 пропали без вести;

– 28 июля 1948 г. в Людвигсхафене (Германия) в результате же
лезнодорожной аварии произошла разгерметизация цистерны с диметиловым эфиром, что впоследствии привело к взрыву парового облака; 
погибли 207 человек, 3808 пострадали;

– 10 февраля 1973 г. на острове Статен (штат Нью-Йорк, США) 

произошел взрыв резервуара, ранее использовавшегося для хранения 
СПГ с последующим пожаром, причиной аварии считается нарушение 
противопожарной безопасности при проведении ремонтных работ и 
возгорание изоляционного материала; погибли 40 человек;

– 13 июля 1973 г. в Потчефструме (ЮАР) на заводе удобрений в 

результате разрушения резервуара произошла утечка аммиака; погибли
18 человек, пострадало более 65;

– 1 июня 1974 г. в Фликсборо (Великобритания) на предприятии 

фирмы Nypro началась утечка циклогексана, что привело к его возгоранию и взрыву; погибли 28 человек, 89 человек пострадали, большинство зданий предприятия было разрушено;

– 10 июля 1976 г. в итальянском городе Савезо произошел выброс 

в атмосферу диоксина; пострадало более тысячи человек, была заражена местность, отмечался массовый падеж скота;

– 8 марта 1979 г. загорелся нефтеналивной танкер в заливе Бан
три (Ирландия), что стало причиной взрыва; погибли 50 человек, судно 
было полностью разрушено, пристань повреждена;

– 3 декабря 1984 г. произошла крупнейшая химическая ката
строфа 20-го века в индийском городе Бхопал: в атмосферу было выброшено 42 т метилизоцианата; погибло более 3 тысяч человек; пострадало более 200 тысяч;

– 1 февраля 1988 г. в ходе железнодорожной аварии в городе Яро
славль произошел розлив 740 л гептила, последствия аварии ликвидировало около 2 тысяч человек, население в зоне возможного заражения 
было эвакуировано;

– 20 марта 1989 г. в литовском городе Ионава на заводе химиче
ских удобрений «Азот» в 1989 году произошел разлив 7 тысяч тонн
жидкого аммиака, возгорание складов нитрофоски (минеральных удобрений); число погибших и пострадавших было минимальным благодаря 
метеорологической обстановке (ярко выраженная конвекция и ветер, 
направленный в сторону незаселенных районов);

– 2 июня 1989 г. под городом Уфа случился разрыв трубопровода, 

что привело к утечке нескольких тысяч тонн пропан-бутановой смеси, 
впоследствии это привело к взрыву при прохождении двух встречных 
поездов; погибли 575 человек, пострадало более 600;

– железнодорожная катастрофа в Мексике в августе 1991 г.: в ре
зультате схода с рельсов 32 цистерн со сжиженным хлором произошел 
выброс в атмосферу 300 т хлора; погибло около 17 человек, пострадало 
более 500;

– выброс хлора на заводе «Каустик» (г. Волгоград) 30 июля 

2000 года: в результате аварии в цехе производства хладона произошел 
выброс хлора; два человека погибли, пострадали – 16;

– выброс хлора на ОАО «Химпром» (г. Новочебоксарск) 27–

28 апреля 2011 г.: в результате двойной аварии пострадали 5 человек;

– разрыв аммиакопровода на заводе «Стирол» (Горловка, До
нецкая область) 8 августа 2013 г.: в результате аварии на аммиакопроводе произошел выброс аммиака в атмосферу, погибли 12 человек, пострадали – 26.

Естественно, в условиях постоянной угрозы аварий возникает 

необходимость использования научно-обоснованных подходов для 
обеспечения безопасности людей. Составной частью управления 
промышленной безопасностью является анализ риска аварий, который предполагает получение количественных оценок потенциальной опасности промышленных объектов. Основу методология риска 
составляет определение последствий и вероятности нежелательных 
событий. 

Ответственным этапом анализа риска аварий является прогнози
рование последствий возможных аварий. Процедура прогнозирования 
последствий аварий схематично показана на рисунке.

Процедура анализа последствий

Прогноз последствий аварийных событий базируется на исполь
зовании математических моделей и методов математического моделирования. При этом большое значение придается правильному выбору 
моделей источников: модели истечения вещества, растекания жидких 
веществ по поверхности, модели мгновенного вскипания и парообразования из пролива. Эти модели позволяют охарактеризовать источники, 
вызывающие образование облака паров опасных веществ. Модели полей поражающих факторов включают модели концентрационных полей 
токсичных веществ, температурных полей, возникающих в случае пожаров и взрывов, распространения давления и осколков при взрывах. 
Для корректного определения количества опасного вещества, участвующего в аварии, и распределения полей поражающих факторов аварий 
в пространстве и времени необходимо понимание сути физических явлений, сопровождающих процесс аварийного выброса. 

Прогнозирование последствий аварийных выбросов играет важ
ную роль в управлении рисками и имеет важное значение:

– для принятия эффективных управленческих решений по обес
печению промышленной безопасности;

– для обоснования мер защиты людей и окружающей среды от 

последствий крупных аварий;

– выявления приоритетов при распределении финансовых, мате
риальных и людских ресурсов на обеспечение безопасности (заниженная оценка опасности может привести к возрастанию неплановых потерь, а завышенная – к снижению экономической эффективности производства);

– решения вопросов размещения объектов (установок) на ограни
ченной территории (действующие нормы нередко завышают безопасные расстояния, что вызывает экономические трудности);

– информирования общественности, обеспокоенной размеще
нием источников опасности вблизи селитебных зон;

– при страховании гражданской ответственности владельца опас
ного объекта за причинение вреда.

Г л а в а 1 . М О Д Е Л И Р О В А Н И Е  И С Т Е Ч Е Н И Я  О П А С Н Ы Х
В Е Щ Е С Т В  П Р И  Р А З Г Е Р М Е Т И З А Ц И И  О Б О Р У Д О В А Н И Я

Авария начинается с инцидента, представляющего собой сниже
ние герметичности и неконтролируемого истечения вещества из оборудования в окружающую среду. Наиболее типичны случаи разрыва или 
разрушения трубопровода, образования отверстия в резервуаре или в 
трубе, неконтролируемые реакции или внешнее возгорание.

В зависимости от варианта развития аварийной ситуации выби
рается модель источника для математического описания процесса поступления вещества в окружающую среду. Это может быть истечение 
газа, испарение пролива, кипение жидкости, мгновенное вскипание 
и т. д. в зависимости от соотношения термодинамических условий 
внутри оборудования, соответствующих параметров окружающей 
среды и свойств подстилающей поверхности. 

Моделирование процесса истечения позволяет прогнозировать 

скорость и продолжительность поступления, общее количество вещества, 
а также его фазовое состояние (твердое вещество, жидкость, пары или их 
сочетание). Результаты моделирования источника легковоспламеняющихся выбросов являются исходными данными для моделей пожара и 
взрыва, которые позволяют определить потенциалы энергетической 
опасности, такие как тепловое излучение и избыточное давление взрыва.

Расчетная интенсивность поступления вещества в окружающую 

среду используется в качестве исходных данных при описании процесса распространения поступающего вещества в атмосфере и определении концентрационных полей, необходимых для прогнозирования 
влияния последствий развития аварии на людей с помощью «Моделей 
воздействия», принимая в учет смягчающие факторы.

1 . 1 . В о з м о ж н ы е  к о н ф и г у р а ц и и  о б о р у д о в а н и я  

и с х е м ы  е г о  р а з р у ш е н и я  

Для емкости с газом или жидкой фазой возможно мгновенное 

разрушение (разрыв) емкости и выброс всего содержимого в окружающую среду (сценарий 1 или сценарий 3; в соответствии с рис. 1.1, 1.2).

Рис. 1.1. Мгновенное разрушение емкости с газовой фазой

(сценарий 1)

Рис. 1.2. Мгновенное разрушение емкости с жидкой фазой

(сценарий 3)

Для емкости с газом или жидкой фазой возможно образование 

аварийного отверстия (разгерметизации) в стенке емкости и последующее истечение газа и (или) жидкости в окружающую среду (сценарий 2
или сценарий 4). При разгерметизации емкости с жидкой фазой возможно образование отверстия как выше, так и ниже уровня жидкости 
(в соответствии с рис. 1.3−1.5).

Рис. 1.3. Разгерметизация емкости с газом 

(сценарий 2)

Рис. 1.4. Разгерметизация емкости с жидкой фазой выше уровня 

жидкости (сценарий 4)

Рис. 1.5. Разгерметизация емкости с жидкой фазой ниже уровня 

жидкости (сценарий 4)

Для емкости с газом или жидкой фазой с присоединенным трубо
проводом возможно образование аварийного отверстия (разгерметизации) 
в стенке трубопровода либо полный разрыв трубопровода на некотором 
расстоянии от емкости (сценарий 2 или сценарий 4). При этом трубопровод может быть оснащен запорной арматурой, которая при срабатывании 
изолирует разгерметизированный (разрушенный) участок трубопровода 
от емкости. В этом случае в окружающую среду поступают газ и (или) 
жидкость и (или) двухфазный поток. На рис. 1.6–1.8 отсекаемый участок 
аварийного трубопровода обозначен 1 и расположен справа от задвижки, 
которая, в свою очередь, расположена на трубопроводе около емкости.

Рис. 1.6. Разгерметизация трубопровода с газом, присоединенного 

к емкости (1 – отсекаемый участок аварийного трубопровода, 

сценарий 2)