Пример расчета подрыв автомобиля и радиусов поражения. Расчет вероятных зон действия поражающих факторов при сгорании топливно-воздушных смесей в открытом пространстве. Оценка инженерной обстановки объекта включает
При аварии в резервуарном парке количество газа q(t) или пара берётся: 30% от объёма наибольшего резервуара с бензином, 20% - с нефтью. При аварии на трубопроводе - до 20% вытекшей нефти и до 50% вышедшего газа. При аварии на автотранспорте - 4т бензина. При аварии на железной дороге - 10т бензина, 7т нефти. Величина дрейфа газа воздушного облака принимается равной 300 м в сторону предприятия.
При взрыве пара и газа воздушной смеси выделяют зону детонационной волны с радиусом R1 и зону ударной волны. Определяется также: радиус зоны смертельного поражения людей (R см); радиус безопасного удаления (R бу), где R ф=5 кПа; радиус предельно допустимой взрывобезопасной концентрации пара, газа Кпдвк.
Давление во фронте ударной волны Рф2 в зоне ударной волны определяют по таблице/19/
Избыточное давление в зоне детонационной волны определяется:
Радиус зоны смертельного поражения людей определяется по формуле:
где Q - количество газа, газа в тоннах;
R1 - радиус зоны детонационной волны;
R CM - радиус смертельного поражения людей.
Расчёт взрыва резервуара вертикального стального ёмкостью 5000 м3 с нефтью
Определяем количество газа, выделившегося при взрыве:
Количество нефти в тоннах:
5000?875 = 4375000 кг. = 4375 т.
Тогда количество газа:
0,2 ? 4375 = 875 т.
По формуле определяем радиус зоны детонационной волны:
R1=18,5 ?(875)1/3 = 173,00 м.
По формуле определяем радиус зоны смертельного поражения:
RCM=30 ? (875)1/3 = 280,53м.
Расстояние от центра взрыва до операторной r2= 200 м., то r2/R1=200/173 = 1,16, тогда избыточное давление от центра взрыва до операторной Рф1 = 279 кПа
7.3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВА
Основным поражающим действием взрывчатых веществ является ударная волна. Поэтому для определения поражающего действия взрывчатого вещества необходимо рассчитать избыточное давление взрыва
, (7.15)
где р – давление на фронте ударной волны;
р 0 – давление невозмущенного воздуха – атмосферное давление (101кПа).
Величина D р зависит от типа взрывчатого вещества, массы взорванного заряда, расстояния от центра взрыва и характера подстилающей поверхности.
Расчет величины избыточного давления D р проводится в два этапа. На первом этапе находится приведенный радиус зоны взрыва по формуле
,
(7.16)
где R – расстояние от центра взрыва, м;
М – масса заряда, кг;
К – коэффициент, учитывающий характер подстилающей поверхности;
Т Э – тротиловый эквивалент взрывчатого вещества.
В табл. 7.6 приведены значения коэффициента К для разных типов подстилающих материалов.
Таблица 7.6
Значения коэффициента К для разных материалов
|
Материал подстилающей поверхности |
Коэффициент К |
|
Металл |
1.00 |
|
Бетон |
0.95 |
|
Дерево |
0.80 |
|
Грунт |
0.60 |
Тротиловый эквивалент, как было показано выше, – это отношение массы взрывчатого вещества к массе тротила, создающей одинаковое поражающей действие. При Т Э < 1 взрывчатое вещество обладает более сильным разрушающим действием, чем тротил (на один килограмм взрывчатого вещества); при Т Э = 1 взрывчатое вещество имеет такую же разрушающую силу, как и тротил; при Т Э > 1 взрывчатое вещество будет производить меньшее разрушающее воздействие, чем тротил. В табл. 7.3 были приведены значения тротилового эквивалента для промышленных взрывчатых веществ. В табл. 7.7 приведены значения тротилового эквивалента для некоторых боевых взрывчатых веществ.
Таблица 7.7
Значение тротилового эквивалента
для боевых взрывчатых веществ
|
Взрывчатое вещество |
Т Э |
|
Порох |
0.66 |
|
Аммонал |
0.99 |
|
Тротил |
1.00 |
|
Тетрил |
1.15 |
|
Гексоген |
1.30 |
|
ТЭН |
1.39 |
|
Тритонал |
1.53 |
На втором этапе по рассчитанному значению приведенного радиуса (7.16) рассчитывается величина избыточного давления D р . При этом зависимости от величины используются разные формулы. Для значений 6.2 расчет избыточного давления взрыва проводится по формуле:
,
кПа. (7.17)
Для значений > 6.2 расчетная формула для избыточного давления взрыва имеет вид:
,
кПа. (7.18)
Используя рассчитанные значения избыточного давления взрыва , можно провести оценку степени разрушения, производимого взрывом. При оценке поражающего действия взрывчатого вещества выделяют четыре зоны разрушения объектов, характеристики которых приведены в табл. 7.8.
Таблица 7.8
Зоны разрушения объектов
при разных значениях избыточного давления взрыва
|
Зона разрушения |
D р , кПа |
|
Полное разрушение |
Более 50 |
|
Сильные разрушения |
30 ÷ 50 |
|
Средние разрушения |
20 ÷ 30 |
|
Слабые разрушения |
10 ÷ 20 |
Для оценки степени разрушения зданий и сооружений при конкретном взрыве можно использовать табл. 7.9, в которой представлены предельные значения избыточного давления взрыва D р , вызывающие различные степени разрушения.
Таблица 7.9
Значения предельного избыточного давления,
вызывающие различные разрушения зданий и сооружений
|
D р , кПа |
Разрушение |
D р , кПа |
Разрушение |
D р , кПа |
Разрушение |
|
0.5÷3.0 |
Частичное разрушение остекления |
Разрушение перегородок, оконных рам |
Разрушение кирпичных и блочных стен |
||
|
3÷7 |
Полное разрушение остекления |
Разрушение перекрытий |
Разрушение железобетонных конструкций |
Рассмотрим порядок расчета избыточного давления взрыва на следующем примере.
Требуется определить поражающее действие при взрыве заряда тротила массой 100 кг на расстоянии от здания R = 2 м на открытом грунте.
Вначале определим избыточное давление взрыва D р при взрыве тротила по формуле (7.16). Коэффициент К для открытого грунта находим по табл. 7.6. Он составляет 0.60. Тротиловый эквивалент для тротила Т Э = 1 (табл. 7.7).
Общая характеристика задач оценки
Для принятия решений по защите от воздействия воздушной ударной волны (ВУВ) взрыва на здания, сооружения, технику или на людей, а также для выработки мер взрывобезопасности необходимы данные, характеризующие взрывы, которые могут происходить во время военных действий, в производственной сфере и в быту. Наиболее достоверные сведения о взрыве можно получить путем проведения эксперимента. Однако, такой подход не всегда применим. Поэтому наиболее распространены расчетные методы, позволяющие определять значения параметров, характеризующих взрывы. В ходе расчетов используются следующие показатели:
Для проведения расчетов разработано и представлено в технической литературе значительное количество функциональных зависимостей, которые связывают между собой эти показатели. Конкретный вид расчетных соотношений, выражающих эти функциональные зависимости, определяется условиями взрыва, к которым относятся: тип ВВ (конденсированное ВВ, газовоздушные смеси, пылевоздушные смеси и др.), место взрыва (воздушный, наземный или заглубленный взрыв), наличие преград, отражающих ударную волну и другие условия.
Разные авторы предлагают разные виды функциональных зависимостей для определения одних и тех же показателей, позволяющие получить либо большую точность, либо простоту, либо какие-нибудь другие преимущества при проведении расчетов. Поэтому при выборе того или иного соотношения для проведения расчетов следует особое внимание обращать на систему ограничений, определяющих возможность его использования.
Вся совокупность задач по проведению расчетов может быть разделена на две группы: задачи прогнозирования последствий взрыва по заданному количеству ВВ и задачи определения количества ВВ по заданным последствиям взрыва.
Задачи прогнозирования соответствуют ситуации, когда взрыва еще не было, т.е. требуется рассчитать показатели, характеризующие будущий взрыв. В таких задачах в качестве исходных данных обычно используются сведения о количестве ВВ и об условиях взрыва. При этом в результате расчетов должны быть получены значения параметров ударной волны (или других поражающих факторов) на заданном расстоянии от места взрыва (прямая задача), или определено расстояние от места взрыва, на котором параметры ударной волны будут иметь заданное значение (обратная задача).
Задачи определения исходных характеристик ВВ по результатам взрыва обычно приходится решать при расследовании и анализе причин аварийных взрывов. В этих задачах известны условия взрыва, место взрыва и степень разрушений по мере удаления от его эпицентра. В результате решения должно быть определено количество взорвавшегося вещества. Для расчетов в этих задачах используются те же функциональные зависимости между степенью повреждения, количеством ВВ и расстоянием от места взрыва, что и при решении задач прогнозирования.
Настоящий курс лекций не предусматривает подробного рассмотрения всего многообразия вариантов проведения расчетов для различных условий взрыва и поражающих факторов. Далее будут рассматриваться только приближенные методы проведения расчетов, связанные с наиболее распространенными типами взрывов конденсированных ВВ и ГВС в открытом, не замкнутом пространстве. Из числа поражающих факторов взрыва будет рассматриваться только воздушная ударная волна.
Расчетные соотношения, используемые при решении задач.
Тротиловый эквивалент массы ВВ.
Количество взрывчатого вещества или его массу М BB при проведении расчетов выражают через тротиловый эквивалент М Т. Тротиловый эквивалент представляет собой массу тротила, при взрыве которой выделяется столько же энергии, сколько выделится при взрыве заданного количества конкретного ВВ. Значение тротилового эквивалента определяется по соотношению:
(1)
\[М_{Т}=kM_{ВВ}\]где:
M BB — масса взрывчатого вещества;
k — коэффициент приведения взрывчатого вещества к тротилу1 (см. Таблицу 1).
Таблица 1. Значения коэффициента k приведения взрывчатого вещества к тротилу
Выражение (1) составлено для взрыва, при котором ударная волна распространяется во все стороны от точки взрыва беспрепятственно, т.е. в виде сферы. Очень часто на практике взрыв происходит на некоторой поверхности, например, на земле. При этом ударная волна распространяется в воздухе в виде полусферы.
Для взрывов на абсолютно твердой поверхности вся выделившаяся при взрыве энергия распространяется в пределах полусферы и, следовательно, значение массы взрывающегося вещества как бы удваивается (в определенных случаях можно говорить о сложении прямой и отраженной волны).
Для взрыва на не абсолютно твердой поверхности, например, на грунте, часть энергии расходуется на образование воронки. Учет этого расхода выполняется с помощью коэффициента ƞ, значения которого приведены в Таблице 2. Чем меньше подстилающая поверхность позволяет затрачивать энергию на образование воронки, тем ближе значение коэффициента ƞ к 1. Другой предельный случай соответствует ситуации, когда подстилающая поверхность беспрепятственно пропускает энергию взрыва, например, при взрыве в воздухе. В этом случае значение коэффициента равно 0.5.
С учетом изложенного значение MT в общем случае определяется по формуле:
(2)
\[М_{Т}=2ƞkM_{ВВ}\]Выражение (2) для взрыва в воздухе, то есть при ƞ = 0.5, принимает вид (1).
Таблица 2. Значения коэффициента ƞ, учитывающего характер подстилающей поверхности
Закон подобия при взрывах
Расчеты параметров ударной волны основываются на использовании соотношения, связывающего параметры взрывов разной мощности. Таким соотношением является закон подобия кубического корня . Согласно этому закону значения параметров ударной волны для взрыва некоторой мощности можно пересчитать для взрывов других мощностей, пользуясь выражениями закона подобия:
(3)
\ \[τ_{2}=τ_{1}\sqrt{\frac{M_{T2}}{M_{T1}}}\]где: R 2 ,R 1 — расстояния от центров двух взрывов до некоторых точек 1 и 2, в которых параметры ударной волны этих взрывов равны между собой;
M T2 , M T1 — массы зарядов (точнее: эквиваленты масс, приведенные к некоторому эталону, в нашем случае к тротилу);
τ 2 , τ 1 — время с момента взрыва до прихода ударной волны в эти точки.
Выражение (3) можно представить в виде:
(4)
\[\frac{R_{2}}{\sqrt{{M_{T2}}}}=\frac{R_{1}}{\sqrt{{M_{T1}}}}=\frac{R}{\sqrt{{M_{T}}}}=\overline{R}\]Величина R называется приведенным радиусом взрыва и широко используется в различных расчетных соотношениях для определения параметров ударной волны взрыва.
Оценка параметров ударной волны при взрыве конденсированных ВВ
Избыточное давление ΔP для свободно распространяющейся сферической воздушной ударной волны убывает по мере удаления от места взрыва. Поэтому расчет его значений обычно проводится на основании соотношений, в которых давление является функцией двух аргументов — массы ВВ и расстояния от места взрыва.
Сложность разработки и последующего использования таких аналитических выражений определяется следующим обстоятельством. Скорость спада значения ΔP по мере удаления от места взрыва изменяется за счет влияния на ударную волну среды, в которой она распространяется. Чем больше расстояние от места взрыва, тем сильнее искажается характер изменения давления во фронте ударной волны. Для двух ударных волн, которые при одинаковых условиях распространения в некоторый момент времени имели одно и тоже значение ΔP, в последующие моменты значения ΔP будут отличаться, если предыстория распространения этих волн была разной. Следовательно, расчетные соотношения для определения значений ΔP в эти последующие моменты также должны быть разными.
По изложенным причинам в технической литературе представлен достаточно широкий спектр расчетных соотношений для определения значений ΔP, каждое из которых имеет свою сферу применения и назначение. Например, для воздушного взрыва, для наземного взрыва, для малых расстояний от места взрыва, для значительных расстояний от места взрыва, для относительно небольших зарядов ВВ, для крупных зарядов ВВ и т.д.
При дальнейшем изложении в материалах курса будет использоваться одно базовое соотношение:
(5)
\[ΔP_{Ф}=\frac{84}{\overline{R}}+\frac{270}{{\overline{R}^{2}}}+\frac{700}{{\overline{R}^{3}}},(кПа),\]где R определяется из (2), (4).
Это соотношение известно в технической литературе под названием «формула М. А. Садовского » и широко используется при проведении практических расчетов как для наземных, так и для воздушных взрывов.
При необходимости решать обратную задачу, т.е. определять расстояние от места взрыва по заданному значению ΔP Ф, можно либо решать уравнение третьей степени (5) относительно R , либо воспользоваться соотношением:
(6)
\[\overline{R}=\sqrt{^{2}-1}\]Формула (6) дает хорошее совпадение с результатами точного решения уравнения (5). Для значений R в интервале от 2 до 12 ошибка не превышает 10 %. При этом расхождение тем больше, чем больше ΔP Ф.
Удельный импульс I определяется по соотношению
(7)
\где ΔP(t) — функция, характеризующая изменение избыточного давления во фронте ударной волны за период времени от 0 до τ + .
Кроме приведенных соотношений в технической литературе имеются соотношения для расчета значений и других параметров ударной волны: максимального давления разряжения, длительности фазы разряжения, скорости распространения ударной волны, давления скоростного напора, температуры во фронте ударной волны и др., однако в данном курсе эти соотношения не рассматриваются.
Пример 1
Прямая постановка задачи
Определить избыточное давление, которое будет испытывать прибор, установленный на расстоянии 10 м от места взрыва 1кг гексогена во взрывном устройстве, размещенном на грунте.
2. Определение R :
\[\overline{R}=\frac{R}{\sqrt{M_{T}}}=\frac{10}{\sqrt{1,56}}=8,62\]
3. Определение ΔP Ф:
\[ΔP_{Ф}=\frac{84}{\overline{R}}+\frac{270}{{\overline{R}^{2}}}+\frac{700}{{\overline{R}^{3}}}=\frac{84}{8,62}+\frac{270}{{8,62^{2}}}+\frac{700}{{8,62^{3}}}=14,5 кПа\]
Обратная постановка задачи
Определить максимальное расстояние, на котором допускается установить прибор, выдерживающий давление 14,5 кПа, от места взрыва 1 кг гексогена во взрывном устройстве, размещенном на грунте.
1. Определение R :
\[\overline{R}=\sqrt{^{2}-1}=\sqrt{^{2}-1}=8,37\]
2. Определение тротилового эквивалента:
\[М_{Т}=2ƞkM_{ВВ}=2\cdot0,6\cdot1,3\cdot1=1,56 кг\]
3. Определение R:
Оценка параметров ударной волны при взрыве газовоздушных смесей
Параметры ударной волны на расстояниях R < r o
При взрывах газовоздушных смесей параметры внутри газового облака могут изменяться в очень широких пределах в зависимости от условий взрыва, концентрации горючей компоненты и характера взрывного горения, которые при прогнозировании взрывов, особенно на открытом воздухе, учесть практически невозможно. Поэтому обычно расчеты проводят для худшего случая, при котором разрушительные последствия взрыва наибольшие.
Таким наихудшим случаем является детонационное горение смеси стехиометрического состава. Скорость распространения процесса детонационного горения внутри облака очень велика и превышает скорость звука. Давление внутри облака за время взрыва вообще говоря не постоянно. Однако для проведения приближенной оценки параметров взрыва можно условно принять, что облако имеет форму полусферы с центром на поверхности земли, взрыв ГВС происходит мгновенно и давление в процессе взрыва одинаково и постоянно во всех точках, находящихся внутри облака.
Для большинства углеродоводородосодержащих газовых смесей стехиометрического состава можно принять, что давление внутри газового облака составляет 1700 кПа. Для проведения более точных расчетов в технической литературе приводятся расчетные соотношения, позволяющие рассчитать скорость детонационного горения, время полной детонации облака, давление в детонационной волне и др.
Параметры ударной волны на расстояниях R > r o
Формулы для определения значений параметров ударной волны на расстояниях, превышающих радиус полусферы газового облака в окружающем воздухе, получены путем аппроксимации численного решения задачи о детонации пропановоздушной смеси, выполненной Б. Е. Гельфандом. Решение получено интегрированием системы нестационарных уравнений газовой динамики в сферических координатах в переменных Лагранжа и позволяет получать результаты удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными для горючих смесей различных углеводородов с воздухом.
Максимальное избыточное давление во фронте ударной волны (кПа):
(8)
\[ΔP_{Ф}=P_{0}\cdot \overline{P};\](9)
\[\lg\overline{P}=0,65-2,18\lg\overline{R}+0,52(\lg\overline{R})^{2};\] \[\overline{R}=\frac{R}{\sqrt{M_{T}}},\]где: MТ — тротиловый эквивалент наземного взрыва полусферического облака ГВС (кг);
P 0 — атмосферное давление, равное 100 кПа.
Удельный импульс (Па ⋅ с):
(10)
\(11)
\Тротиловый эквивалент (кг) определяется из соотношения (2), в котором k=Q/QТ и ƞ=1, т.е. в предположении, что энергия взрыва полусферического облака полностью отражена поверхностью, над которой это облако образовалось. С учетом изложенного:
(12)
\где: M В — масса вещества, взрывающегося в составе облака ГВС (кг);
Q — теплота, выделяющаяся при сгорании данного вещества (кДж/кг);
QТ — теплота взрыва тротила (4520 кДж/кг).
Q представляет собой табличную величину (таблица 3), которая показывает количество энергии, выделяющейся при взрыве (сгорании) единицы массы данного вещества.
Значение M В определяется соотношением
(13)
\где: M Хр — масса вещества, находившегося в хранилище до аварии (до взрыва);
δ — коэффициент, зависящий от способа хранения вещества, показывающий долю вещества, переходящую при аварии в газ:
δ=1 — для газов при атмосферном давлении,
δ=0,5 — для сжиженных газов, хранящихся под давлением,
δ=0,1 — для сжиженных газов, хранящихся изотермически,
δ=0,02–0,07 — для растекшихся ЛВЖ;
Объем газового облака V 0 и размер полусферы газового облака r 0 зависят от количества исходного вещества, находившегося в хранилище до аварии, и способа его хранения. Определение этих параметров может быть выполнено по формулам:
(14)
\ \где: V a — объем киломоля идеального газа (постоянная Авогадро: V a =22,4 м³/кмоль);
μ — молярная масса хранящегося вещества (кг/кмоль);
C стх — стехиометрическая объемная концентрация (в абсолютных долях).
Приближенно для наиболее часто используемых углеводородов можно пользоваться при расчетах формулой:
где: M Хр — количество вещества, находившегося в хранилище до аварии (взрыва) в т;
0.6 — коэффициент, учитывающий способ хранения.
Значения параметров, характеризующих некоторые вещества, приведены в таблице 3.
Таблица 3. Значения параметров, характеризующих некоторые вещества и их смеси с воздухом
Пример 2
Определить с помощью расчета по формулам избыточное давление и удельный импульс во фронте ВУВ на расстоянии 100 м от емкости, в которой находится 10 т. пропана, хранящегося в жидком виде под давлением, при ее разгерметизации и взрыве образовавшейся ГВС.
1. Определение массы пропана в составе ГВС
2. Определение тротилового эквивалента
3. Определение приведенного радиуса взрыва
4. Определение избыточного давления во фронте ударной волны
\[\lg\overline{P}=0,65-2,18\lg\overline{R}+0,52(\lg\overline{R})^{2}=0,65-2,18\cdot\lg2,14+0,52\cdot(\lg2,14)^{2}=-0,0135,\]
\[\overline{P}=10^{0,0135}=0,97,\]
следовательно
\[ΔP_{Ф}=P_{0}\cdot \overline{P}=100\cdot0,97=97 кПа\]
5. Определение значения удельного импульса ударной волны
\[\overline{I}=10^{1,84}=69,2,\] \
Приближенная оценка параметров взрывной волны за пределами облака может быть проведена по таблице 4, в которой представлены значения избыточного давления ΔP Ф и эффективного времени действия фазы сжатия θ, заранее рассчитанные для различных значений R/r 0 . Значения параметров, указанных в таблице, получены исходя из давления внутри газового облака 1700 кПа.
Таблица 4. Значения максимального избыточного давления и эффективного времени действия ударной волны при взрыве ГВС
| R/r 0 | 0–1 | 1.01 | 1.04 | 1.08 | 1.13 | 1.2 | 1.4 | 1.8 |
| ΔP Ф, кПа | 1700 | 1232 | 814 | 568 | 500 | 400 | 300 | 200 |
| 10 3 θ/r 0 , с/м | 0.37 | 0.53 | 0.74 | 0.97 | 1.00 | 1.07 | 1.10 | 1.25 |
| R/r0 | 2.7 | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 | 12 | 15 | 40 |
| ΔP Ф, кПа | 100 | 80 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 7.8 | 2.5 |
| 10 3 θ/r 0 , с/м | 1.7 | 1.78 | 2.18 | 2.30 | 2.59 | 3.02 | 3.53 | 3.76 | 4.39 |
Пример 3
Определить приближенным методом, по таблице избыточное давление во фронте ВУВ на расстоянии 100 м от емкости, в которой находится 55 т пропана, хранящегося в жидком виде под давлением, при ее разгерметизации и взрыве образовавшейся ГВС.
1. Определение r 0
2. Определение R/r 0 = 100/31 = 3,2
3. По таблице 4 находим, что ΔP Ф = 80 кПа (с учетом интерполяции 74 кПа).
Оценка степени повреждения зданий в условиях городской застройки
При взрывах в условиях городской застройки характер распространения ударной волны существенно изменяется из-за ее многократного отражения и экранирования стенами зданий. По этим же причинам обычно используемые для расчета значений ΔP формулы, в том числе и рассмотренные выше, неприменимы.
Для оценки степени повреждения или разрушения зданий в городе широко используется формула, полученная в Великобритании по результатам анализа последствий бомбардировок во время второй мировой войны:
(15)
\где: R — расстояние от места взрыва в метрах;
M T — тротиловый эквивалент заряда в килограммах;
K — коэффициент, соответствующий различным степеням разрушения:
К<5.6 — полное разрушение зданий;
К=5.6–9.6 — сильные разрушения здания (здание подлежит сносу);
К=9.6–28 — средние разрушения (возможно восстановление здания);
К=28–56 — разрушение внутренних перегородок, дверных и оконных проемов;
К=56 — разрушение 90% остекления.
Пример 4
Определить для условий городской застройки расстояние, начиная с которого здания получат сильные разрушения при взрыве боеприпаса, начиненного 500 кг гексогена.
1. Определение тротилового эквивалента:
\[М_{Т}=kM_{ВВ}=1,3\cdot500=650 кг\]
2. Определение искомого расстояния:
Оценка степени повреждения отдельно стоящих зданий
Под воздействием ударной волны здания и сооружения ведут себя как упругие колебательные системы. Расчетная оценка такого воздействия требует решения достаточно сложных динамических задач, связанных с описанием поведения упругих конструктивных элементов зданий и сооружений под воздействием ударных нагрузок, определяемых изменяющимися во времени и пространстве параметрами ударной волны. Возникающие в конструктивных элементах нагрузки зависят от параметров волны, характеристик объекта, его размеров и ориентации относительно фронта волны.
Наиболее точную оценку последствий воздействия ударной волны на конкретный объект позволяет получить эксперимент, проводимый на его макете с соблюдением правил подобия. Однако применение экспериментальных методов оценки далеко не всегда возможно.
Накопленный опыт исследования объектов, подвергавшихся воздействию взрывов, и результатов экспериментов с макетами выявил ряд закономерностей, позволяющих упрощенными методами оценивать возможные ожидаемые последствия воздействия взрывов на здания и сооружения. Ниже будут рассмотрены два метода: по допустимому давлению при взрыве и по диаграмме разрушения объекта.
По допустимому давлению при взрыве
Избыточные давления, при которых наступают различные степени разрушений одного из возможных типов зданий, приведены в Таблице 5. При использовании таблицы следует иметь ввиду, что она соответствует ударной волне ядерного взрыва, т.е. учитывает воздействие на объект только избыточного давления и не учитывает поражающее действие импульса. Для других видов взрывов, например для взрывов конденсированных ВВ или ГВС, значения давлений, приведенных в таблице, должны быть увеличены в 1.5 раза и более в зависимости от мощности взрыва и после этого сопоставлены со значениями избыточного давления. рассчитанными по формуле (5). При использовании таблицы следует иметь ввиду, что результат оценки будет приблизительным, поскольку не учитывается действие импульса.
Таблица 5. Действие ΔP Ф на объекты и людей
| Объект воздействия | Степень воздействия | ΔP Ф |
| Кирпичное здание производственного типа | Полное разрушение | > 70 кПа |
| Сильные разрушения | 33–70 кПа | |
| Средние разрушения | 25–33 кПа | |
| Слабые разрушения | 12–25 кПа | |
| Остекление | Разрушение на 90 % | 5 — 10 кПа |
| на 50 % | 2 — 5 кПа | |
| на 5 % | 1 — 2 кПа | |
| Люди | Крайне тяжелое поражение | > 100 кПа |
| Тяжелое поражение | 60–100 кПа | |
| Среднее поражение | 40–60 кПа | |
| Легкие поражения | 20–40 кПа |
В таблице в качестве примера приведены данные только для одного типа здания. В справочной литературе имеются аналогичные сведения для большого числа различных зданий и сооружений. В таблице также приведены данные, позволяющие оценить степень поражения людей действием давления ударной волны.
Пример 5
Определить по таблице степень разрушения кирпичного здания при взрыве на расстоянии 10м от него на грунте заряда гексогена массой 10 кг.
1. Определение тротилового эквивалента:
2. Определение R
3. Определение ΔP Ф:
4. Увеличивая табличные значения давлний или уменьшая рассчитанное значение ΔP Ф в 1.5 раза по таблице 5 определяем, что здание получит средние разрушения.
По диаграмме разрушений
Более точная оценка может быть получена на основе использования диаграмм, в которых результат воздействия ударной волны зависит от давления и импульса. Каждому конкретному объекту соответствует своя диаграмма степени разрушений, типичная форма которой приведена на рисунке 1.
Как следует из диаграммы, лишь небольшая зона А характеризуется зависимостью степени разрушений как от давления, так и от импульса. Остальная часть плоскости соответствует прямым ΔP=const (зона В), где влияние импульса мало, и прямым I=const (зона С), где не ощущается влияния давления.
Недостаток такого подхода к оценке степени разрушения зданий состоит в том, что составление диаграммы для конкретного объекта представляет собой достаточно сложную задачу.
Пример 6
Определить по диаграмме степень разрушения кирпичного здания, если на расстоянии 10 м от него произойдет взрыв 10 кг гексогена на грунте.
1. Определение тротилового эквивалента:
\[М_{Т}=2ƞkM_{ВВ}=2\cdot0,6\cdot1,3\cdot10=1,56 кг\]
2. Определение R
\[\overline{R}=\frac{R}{\sqrt{M_{T}}}=\frac{10}{\sqrt{15,6}}=4\]
3. Определение ΔP Ф:
\[ΔP_{Ф}=\frac{84}{\overline{R}}+\frac{270}{{\overline{R}^{2}}}+\frac{700}{{\overline{R}^{3}}}=\frac{84}{4}+\frac{270}{{4^{2}}}+\frac{700}{{4^{3}}}=48,8 кПа\]
4. Определение значения удельного импульса:
5. По диаграмме разрушений кирпичных зданий определяем, что здание получит средние разрушения.
Рисунок 1. Диаграмма разрушения кирпичных зданий.
Определение безопасных расстояний при взрывах
Безопасными расстояниями для людей при взрывах считаются такие расстояния, при которых человек не получает травм. При прямом воздействии воздушной ударной волны на человека границей опасной зоны является расстояние от центра взрыва до условной линии (радиус окружности), где давление фронта ударной волны ΔP Ф не превышает 10 кПа.
В Российской Федерации установлены единые правила определения безопасных расстояний обязательные к соблюдению всеми организациями, выполняющими взрывные работы. За основу проведения расчета минимально возможного безопасного расстояния в этих правилах принята формула:
(16)
\где: R > R без — безопасное расстояние в метрах;
M T — тротиловый эквивалент взрывчатого вещества в килограммах;
К — коэффициент, зависящий от условий взрыва.
Значения коэффициента К при размещении людей без укрытий устанавливаются в диапазоне от 30 до 45 для разных типов взрывов. В исключительных случаях, когда требуется максимально возможное приближение персонала к месту взрыва, R без может быть определено при коэффициенте 15, а например при укрытии людей в блиндажах К составляет 9,3.
Единые правила определения безопасных расстояний предусматривают правила расчета этих расстояний не только для человека, но и для зданий (сооружений), и для различных видов взрывов.
Пример 7
Определить безопасное расстояние для размещения людей в блиндаже при взрыве 50 кг аммонала.
1. Определение тротилового эквивалента:
\[М_{Т}=ƞkM_{ВВ}=0,99\cdot50=49,5 кг\]
2. Определение безопасного расстояния:
\
Материалы факультета военного обучения (МГТУ им. H. Э. Баумана)
Это упрощенная и достаточно объективная методика, рассмотренная в работах . На основе анализа и обобщения материалов аварий со взрывом ГВС в очаге поражения (взрыва) на открытой местности (атмосфере) выделяют две зоны: детонации (детонационной волны); распространения (действия) ударной волны (УВ).
Условный (расчетный) радиус зоны детонации (детонационной волны) r 0 определяют по эмпирической формуле:
r 0 =18.5· (2.5),
где k – коэффициент, характеризующий объем газов или паров веществ, переходящих во взрывоопасную смесь. Его значения в расчетах принимаются k=0.4-0.6 . В некоторых методиках значение коэффициента k принимают в зависимости от способа хранения продукта: k = 1 - для резервуаров с газообразным веществом;
k = 0,6 - для газов, сжиженных под давлением;
k = 0,1 - для газов, сжиженных охлаждением (хранящихся в изотермических емкостях);
k = 0,05 - при аварийном разливе легковоспламеняющихся жидкостей;
– количество вещества, разлившегося из разгерметизированной емкости (хранилища);
8,5 – эмпирический коэффициент, который позволяет учесть различные условия возникновения взрыва (характеристики ГВС, состояние атмосферы, форму облака, мощность источника воспламенения, место его инициирования и др.).
За пределами зоны детонации избыточное давление ударной волны (ΔР ф) резко снижается до атмосферного. В литературных источниках предлагаются те или иные зависимости для расчета максимальных значений ΔР ф в зоне детонации с учетом расстояния до места взрыва, например во второй методике, приведенной ниже.
В этой же методике для расчетов используются обобщенные данные изменения избыточного давления (ΔР ф) исходя из расстояния, выраженного в долях от радиуса зоны детонации (r 1 /r 0) и максимального давления (P max) в зоне детонации (табл. 2) . При этом P max для различных ГВС находится по табл.2 из справочников .
Зону распространения (действия) УВ обычно разбивают на несколько (n) зон с радиусами:
· смертельных поражений или полных разрушений (R 100) с избыточным давлением на внешней границе ΔР ф =100 кПа (ΔР ф > 50 кПа);
· сильных и полных разрушений соответственно с ΔР ф =30 кПа и ΔР ф =50 кПа (R 50);
· средних с ΔР ф =20 кПа
· слабых с ΔР ф =10 кПа (R 20)
· безопасную зону с ΔР ф < <10 кПа, т.е. ΔР ф =6 -7 кПа (R 6, 7). * По международным нормам безопасным
· для человека является Δ Р ф =7 кПа .
Затем, определив P max (табл. 2) для данной ГВС, вытекшей при аварии из емкости (хранилища), по табл. 3 при принятых зонах с ΔР ф1 =100 кПа, ΔР ф2 =50 кПа, ΔР ф3 =20 кПа, R 6 , 7 =7кПа находим отношения r 1 /r 0 и, следовательно, радиусы (R n) принятых зон, зная r 0 из (2.5)
и R n =c n ·r 0 (2.7),
где n – показатель той или иной принятой зоны; c x = определяется по табл.3.
По аналогии с характеристиками зон разрушений при воздействии воздушной УВ ядерных взрывов определяют размеры опасных зон, в которых возникнут сильные, возможные (слабые) разрушения жилых и промышленных зданий в районах взрыва газо- и паровоздушных смесей углеводородных газов и жидкостей . Следует сказать, что учитывая импульсный характер воздействия нагрузок от УВ, избыточное давление при взрыве ГВС, вызывающее сильные разрушения, будет примерно в 1,5-1,7 раза больше, чем при ядерном взрыве, т.е примерно ΔР ф ГВС ср ~50 кПа, а возможные слабые разрушения – ΔР ф ГВС сл =20 кПа .
Тогда радиусы зоны сильных (R c) и слабых (R сл) разрушений:
R сл = R 20 = r 0 ·с 20 ,
R c = R 50 = r 0 · с 50
Отношения R 50 /r 0 и R 20 /r 0 могут быть определены как по табл.3, так и по табл.4 . В табл. 4 приведены значения радиусов зон сильных (R c = R 50) и слабых (R cл = R 20) разрушений для массы разлившейся ГВС из разгерметизированной емкости (Q) – Q=1-10000 т и максимальных значений давлений P max =500-2000 кПа .
Таблица 2
Физико-химические и взрывоопасные свойства некоторых веществ и их ГВС
РАСЧЕТ ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВА
ВНУТРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Развитие химической промышленности сопровождается увеличением масштабов производства, мощности установок и аппаратов и усложнением технологических процессов и режимов управления производством. Вследствие усложнения и увеличения производства, происходящие аварии имеют все более тяжкие последствия. Особую опасность представляют химические, взрывоопасные производства, атомные электростанции , склады взрывчатых и легковоспламеняющихся веществ, боеприпасов , а также сосуды и резервуары, предназначенные для хранения и транспортировки нефтепродуктов и сжиженных газов.
В настоящее время в мире все больше внимания уделяется вопросам обеспечения на высоком уровне защиты окружающей среды, безопасности жизнедеятельности и охране труда . Одним из возможных путей снижения риска возникновения чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах является анализ произошедших аварий. На их основе разрабатываются мероприятия по предупреждению возникновения аварий и предотвращению опасных последствий.
Одним из видов аварий на промышленных объектах являются взрывы технологического оборудования. Взрыв оборудования несет потенциальную опасность поражения людей и обладает разрушительной способностью.
Взрыв (взрывчатое превращение) – это процесс быстрого физического или химического преобразования вещества, сопровождающийся переходом потенциальной энергии этого вещества в механическую энергию движения или разрушения . В зависимости от вида энергоносителя и условий энерговыделения при взрыве различают химические и физические источники энергии.
Физический взрыв может быть вызван внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью, смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т. д.
Источником химического взрыва являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или термического разложения нестабильных соединений.
Физические взрывы в оборудовании
Физические взрывы, как правило, связывают с взрывами сосудов от давления газов или паров .
В химической технологии часто приходится преднамеренно сжимать как инертные, так и горючие газы, затрачивая при этом электрическую, тепловую или другие виды энергии. При этом сжатый газ (пар) находится в герметичных аппаратах различных геометрических форм и объемов. Однако в ряде случаев сжатие газов (паров) в технологических системах происходит случайно вследствие превышения регламентированной скорости нагрева жидкости внешним теплоносителем .
При взрывах сосудов под давлением могут возникать сильные ударные волны, образуется большое число осколков, что приводит к серьезным разрушениям и травмам. При этом общая энергия взрыва переходит в основном в энергию ударной волны и кинетическую энергию осколков.
Многие жидкости хранятся или используются в условиях, когда давление их паров значительно превышает атмосферное. Энергия перегрева жидкости может быть источником чисто физических взрывов, например, при интенсивном перемешивании жидкостей с различными температурами, при контакте жидкости с расплавами металла и нагретыми твердыми телами. При этом не происходит химических превращений, а энергия перегрева расходуется на парообразование, которое может протекать с такой скоростью, что возникает ударная волна. Масса образующихся паров и скорость парообразования при этом определяются по материальным и тепловым балансам двух возможных моделей аварийных ситуаций: 1) тепловыделение с парообразованием происходит при постоянном объеме; 2) за тепловыделением при сохранении объема следует расширение с сохранением теплового равновесия.
При смешивании двух жидкостей с существенно разными температурами возможны явления физической детонации с образованием облака жидких капель одного из компонентов.
На промышленных предприятиях нейтральные (негорючие) сжатые газы - азот , диоксид углерода, фреоны, воздух - в больших объемах находятся главным образом в сферических газгольдерах высокого давления.
9 июля 1988 г произошел взрыв шарового газгольдера сжатого воздуха объемом 600 м3 (радиус сферы 5,25 м), изготовленного из стали толщиной стенки 16 мм и рассчитанного для работы под давлением 0,8 МПа. Взрыву газгольдера (происшедшему при давлении 2,3 МПа) предшествовало медленное повышение давления до предела текучести стали, из которой он был изготовлен.
Шаровой газгольдер входил в состав технологического агрегата производства карбамида, введенного в эксплуатацию в апреле 1988 г. Воздух в газгольдер поступал из общей заводской технологической линии через обратный клапан и арматуру. Газгольдер не был оборудован средствами сброса давления, так как максимально возможное давление воздуха (0,8 МПа) в нем обеспечивалось его стабилизацией в технологической системе и характеристиками воздушных компрессоров типа ВП-50-8. Контроль давления осуществлялся показывающим по месту и регистрирующим манометрами на пульте управления.
Из газгольдера воздух поступал по системе трубопроводов на технологические нужды, в том числе в отделение очистки СО2 от горючих примесей. В это отделение воздух из газгольдера отводился по трубопроводу диаметром 150 мм в нагнетательную линию турбокомпрессора СО2 типа «Бабета», работающую под давлением 2,3 МПа и являющуюся одновременно приемной линией дожимного до 10,0 МПа поршневого компрессора (4ДВК-210-10); подводимый воздух предназначался для продувки системы компремирования и через нее технологической линии от СО2 перед ремонтом.
По окончании ремонта технологической установки был включен турбокомпрессор СО2 и через 10 мин при движении давления в линии нагнетания 2,3 МПа был включен поршневой компрессор с регулировкой на режимное давление 10,0 МПа. После пуска центробежного компрессора СО2 давление в воздушном газгольдере стало возрастать; при этом манометр со шкалой 0,8 МПа на пульте управления «зашкалило». Диоксид через неплотно закрытый вентиль из нагнетательного трубопровода, работающего центробежного компрессора по воздушной линии поступал в воздушный газгольдер. Давление газа в газгольдере возрастало в течение 4 ч, что привело к разрушению газгольдера от превышения давления.
Поступление СО2 в воздушный газгольдер подтверждается снижением температуры воздуха до 0°С за счет дросселирования СО2 с давлением нагнетания центробежного компрессора до давления в газгольдере.
В областях низких давлений ударной волны разрушено до 100% остекления в шести производственных зданиях, находящихся на расстоянии м от места установки взорвавшегося газгольдера; незначительные повреждений остекления (до 10%) отмечались в домах жилых кварталов, расположенных в 2500 м от места взрыва.
Большую опасность представляли разлетающиеся осколки оболочки газгольдера.
Химические взрывы в оборудовании
Экзотермические химические реакции проводят в технологических системах (реакторах), сбалансированных по тепловому режиму. Выделяемое при реакции тепло отводится внешним хладагентом через стенки теплообменных элементов с нагретыми продуктами реакции или с избыточным сырьем за счет его испарения и т. д. Устойчивое протекание реакционного процесса обеспечивается равенством скоростей тепловыделения и теплоотвода. Скорость реакции и соответственно притока тепла возрастает по степенному закону с ростом концентрации реагентов и быстро увеличивается при повышении температуры.
При выходе химической реакции из-под контроля возможны следующие механизмы взрывов .
1. Если реакционная масса представляет собой конденсированные ВВ, при достижении критической температуры возможна детонация продукта; при этом взрыв будет происходить по механизму взрыва точечного заряда ВВ в оболочке. Энергия взрыва будет определяться тротиловым эквивалентам всей массы ВВ в системе.
2. В условиях газофазных процессов возможно термическое разложение газов или взрывное горение газовой смеси; их следует рассматривать как взрывы газов в замкнутых объемах с учетом реальных энергетических потенциалов и тротиловых эквивалентов.
3. В жидкофазных процессах возможен вариант аварийного взрывного энерговыделения: перегрев жидкости и повышение давления пара над ней до критического значения.
Общая энергия взрыва облака будет равна сумме эквивалентов теплот сгорания паров, имеющихся в системе и дополнительно образующихся при испарении жидкости.
Причинами выхода из-под контроля экзотермической химической реакции часто являются снижение теплопритока в жидкофазных периодических процессах с большими массам и реагирующих веществ и ограниченные возможности теплоотвода обычными методами. К таким процессам относится, в частности, полимеризация в массе мономера, при которой скорость реакции регулируется обычными методами, а также дозировкой инициирующих веществ. На случай выхода процесса из-под контроля дополнительно предусматривают ввод в реакционную массу веществ, снижающих скорость или подавляющих экзотермическую реакцию.
Некоторые вещества могут полимеризоваться более или менее самопроизвольно, и обычные реакции полимеризации будут экзотермическими. Если мономер - летучий, как это часто бывает, достигается стадия, при которой может произойти опасное повышение давления. Иногда полимеризация может протекать только при повышенных температурах, но для некоторых веществ, таких, как этиленоксид, полимеризация может начаться при комнатной температуре, особенно когда исходные соединения загрязняются веществами, ускоряющими полимеризацию.
Подобные аварии происходили при полимеризации винилхлорида и других мономеров, в хранилищах хлоропрена и в железнодорожных цистернах с жидким хлором, углеводородами и другими активными соединениями, когда в них ошибочно закачивали вещества, взаимодействующие с содержащимися в них продуктами . При значительном превышении тепловыделения по сравнению с теплоотводом при таких авариях происходит полное раскрытие технологической системы, при котором резко уменьшается давление, снижается скорость химической реакции или она совсем прекращается. В этом случае общий энергетический потенциал составляет сумму эквивалентов энергий сгорания паров (газов), находящихся над жидкостью и образующихся в результате испарения под действием тепла перегрева жидкости до температуры, соответствующей критическим условиям разрушения системы.
Так же самый простой случай взрыва - это процесс разложения, который дает газообразные продукты . Один из примеров - пероксид водорода , который разлагается со значительной теплотой реакции, давая водяной пар и кислород:
2Н2О2 ->2Н2О + О2 - 23,44 ккал/моль
Как бытовой продукт пероксид водорода продается в виде 3%-ного водного раствора и представляет незначительную опасность. Иначе дело обстоит с пероксидом водорода «высокой пробы», концентрация которого составляет 90% или более. Разложение такой Н2О2 ускоряется рядом веществ, что используется в качестве реактивного топлива или в газовой турбине для накачки топлива к главным двигателям.
Одним из примеров может служить окислительно-восстановительные реакции и конденсации :
1). Окислительно-восстановительные реакции, в которых воздух или кислород реагирует с восстановителем, весьма обычны и составляют основу всех реакций горения. В тех случаях, когда восстановитель является недиспергированным твердым веществом или жидкостью, реакции горения протекают недостаточно быстро, чтобы стать взрывными. Если твердое вещество мелко раздроблено или жидкость находится в виде капелек, то возможен быстрый рост давления. Это может привести в условиях замкнутого объема к росту избыточного давления вплоть до 0,8 МПа.
2). Реакции конденсации весьма распространены. Они особенно широко применяются в производстве красок, лаков и смол, где служат основой процессов в реакторах непрерывного действия со змеевиками для нагрева или охлаждения. Зарегистрировано много примеров неконтролируемых реакций, обусловленных тем, что скорость переноса тепла в таких сосудах является линейной функцией разности температур между реакционной массой и охладителем, тогда как скорость реакции - это экспоненциальная функция температуры реагента. Однако благодаря тому, что скорость выделения тепла, будучи функцией концентрации реагентов, во время протекания реакции уменьшается, нежелательный эффект до некоторой степени компенсируется.
Таким образом, энергия взрыва, вызванного выходом из-под контроля экзотермической химической реакции, зависит от характера технологического процесса и его энергетического потенциала. Такие процессы, как правило, оснащаются соответствующими средствами управлений и противоаварийной защиты, что снижает возможность развития аварии. Однако химические реакции часто являются источником неуправляемого высвобождения энергии в аппаратуре, в которой не предусмотрен организованный теплоотвод. В этих условиях начавшиеся самоускоряющиеся химические реакции неизбежно приводят к разрушению технологических систем.
Статистика аварий
В таблице 1 представлены данные об авариях, связанных с взрывами внутри технологического оборудования.
Таблица 1 - Перечень произошедших аварий
|
Дата и место аварии |
Вид аварии |
Описание аварии и основные причины |
Масштабы развития аварии, максимальные зоны действия поражающих факторов |
Число пострадавших |
Источник информации |
|
г. Ионава |
Взрыв резервуара-хранилища |
В результате полимеризации винилацетата выделилось тепло, достаточного для создания разрушительного давления. |
Разрушение резервуара. | ||
|
Разрушение аппарата окисления |
При выходе из-под контроля экзотермической реакции окисления изопропилбензола воздухом произошло разрушение аппарата от резкого подъема давления. |
Разрушение аппарата. | |||
|
склад Сумгаитского ПО |
Взрыв сферического резервуара |
Вследствие начавшегося процесса полимеризации бутадиена произошло разрушение резервуара. |
Врыв резервуара повлек за собой взрыв цистерны. Осколками повреждены соседние резервуары и здание. |
Продолжение таблицы 1
|
Взрыв газгольдера |
Взрыву газгольдера предшествовало медленное повышение давления до предела текучести стали. |
На расстоянии м от газгольдера 100% разрушено остекление, 2500 м – 10%. | |||
|
02.1990 Новокуйбышевское НПЗ |
Взрыв сосуда |
Сосуд разрушился в результате превышения давления паров пропан-бутановой фракции в сепараторе. |
Разрушение емкости по сплошному металлу обечайки. | ||
|
Взрыв реактора |
В результате экзотермической химической реакции разложения нитромассы и превышения давления произошел взрыв реактора. |
Разрушено здание, в котором находился реактор. | |||
|
07.1978 Сан-Карлос |
Разрыв оболочки автоцистерны |
Осколки разлетелись на расстояние 250 м, 300 м, 50 м. Тягач оказался на расстоянии 100м. | |||
|
07.1943 Людвигсгафене, |
Взрыв цистерны |
Из-за превышения гидравлического давления |
Разрушение оболочки. |
Продолжение таблицы 1
|
Германия |
разрушилась цистерна, содержащая бутан-бутиленовой смеси. | ||||
|
07.1948 Людвигсгафене, Германия |
Взрыв цистерны диметилового эфира |
Из-за превышения гидравлического давления разрушилась цистерна. |
Разрушение оболочки. | ||
|
10.02.1973 Нью-Йорк, США |
Взрыв в резервуаре |
При ремонте резервуара взорвались пары природного газа от искры. |
Разрушение резервуара. |
40 человек погибло, 2 пострадали. | |
|
24.10.1973 Шеффилд, Англия |
Взрыв подземного резервуара |
Взрыв остатков вещества от оборудования для резки материалов пламенем. |
Радиус разрушений составил около полукилометра. |
3 человека погибло, 29 получили ранения | |
|
19.12.1982 г. Каракас, Венесуэла |
Взрыв резервуара |
На складе нефтехранилища взорвался резервуар с 40 тыс. т топлива |
Горящая нефть хлынула в город и в море. Загорелся танкер в бухте и взорвался еще один резервуар на берегу. |
140 человек погибло, пострадало более 500. | |
|
20.06.2001 Каталония, Испания |
Взрыв резервуара |
Взрыв резервуара с техническим спиртом произошел на химическом предприятии. |
2 человека погибло |
Методика расчета
При взрывах оборудования основным поражающим фактором является ударная воздушная волна .
При оценке параметров аварийного взрыва емкости с инертным газом (смесью газов) допускается, что оболочка имеет сферическую форму. Тогда напряжение в стенке сферической оболочки определяется по формуле:
σ = ΔP · r/(2d), (1)
где σ – напряжение в стенке сферической оболочки, Па;
ΔP – перепад давлений, Па;
r – радиус стенки оболочки, м;
d – толщина стенки оболочки, м.
Преобразование формулы (1) позволяет рассчитать разрушающее давление (условие разрушения - σ ≥ σв):
ΔP = 2d · σв/ r, (2)
где σв – временное сопротивление разрушению материала, Па.
Давление парогазовой смеси в емкости:
Р = ΔP + Р0, (3)
где Р0 – атмосферное давление, 0,1·106 Па.
Уравнение изэнтропы:
Р/Р0 = (ρ/ρ0)γ, (4)
где γ – показатель адиабаты газа;
ρ0 – плотность газа при атмосферном давлении, кг/м3,
ρ – плотность газа при давлении в емкости, кг/м3.
Плотность газа при давлении в емкости определяется после преобразования уравнения изэнтропы (4):
ρ = ρ0 · (Р/Р0)1/γ, (5)
Полная масса газа:
С = ρ · V, (6)
где V – объем парогазовой смеси, м3.
При взрыве емкости под внутренним давлением Р инертного газа (смеси газов) удельная энергия Q газа:
Q= ΔP/[ρ · (γ - 1)] (7)
В случае сжатого взрывоопасного газа:
Q = Qв + ΔP/[ ρ· (γ - 1)], (8)
где Qв – удельная энергия взрыва газовой смеси, Дж/кг.
Тротиловый эквивалент взрыва емкости с газом составит:
qтнт = Q · С/ Qтнт, (9)
где Qтнт – удельная энергия взрыва тротила, равная 4,24·106 Дж/кг.
Эквивалент по ударной волне оценивается с коэффициентом 0,6:
qу. в. = 0,6 · qтнт (10)
q = 2 · qу. в. (11)
Избыточное давление на фронте ударной волны (ΔРфр, МПа) на расстоянии R определяется по формуле для сферической УВВ в свободном пространстве :
где , R – расстояние от эпицентра взрыва до реципиента, м.
В таблице 2 представлены значения предельно допустимого избыточного давления ударной волны при сгорании газо-, паро - или пылевоздушных смесей в помещении или открытом пространстве , для которых подбираются расстояния для определения зон поражения.
Таблица 2 – Предельно допустимые избыточные давления при сгорании газо-, паро - или пылевоздушных смесей в помещении или открытом пространстве
|
Степень поражения |
Избыточное давление, кПа |
|
Полное разрушение зданий (смертельное поражение человека) | |
|
50 %-ное разрушение зданий | |
|
Средние повреждения зданий | |
|
Умеренные повреждения зданий (повреждения внутренних перегородок, рам, дверей и т. п.) | |
|
Нижний порог повреждения человека волной давления | |
|
Малые повреждения (разбита часть остекления) |
Импульс волны давления, кПа·с:
Формулы (12,13) справедливы при условии ≥0,25.
Условная вероятность поражения избыточным давлением, развиваемым при взрыве парогазовоздушных смесей, человека, находящегося на определенном расстоянии от эпицентра аварии, определяется с помощью «пробит–функции» Pr, которая рассчитывается по формуле :
Pr = 5 – 0,26·ln(V) , (14)
где 
Связь функции Рr с вероятностью Р той или иной степени поражения находится по таблице 3 .
Таблица 3 – Связь вероятности поражения с функцией «пробит»
Основной целью расчетов по данной методике является определение радиусов зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека и определение вероятности поражения людей, находящихся на определенном расстоянии от эпицентра взрыва.
Примеры расчетов
Физические взрывы
Пример №1
Взрыв шарового газгольдера сжатого воздуха объемом V = 600 м3 произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Взрыв произошел при давлении Р = 2,3 МПа. Плотность газа при нормальном давлении ρ = 1,22 кг/м3, показатель адиабаты γ = 1,4. Оценить последствия взрыва сжатого воздуха в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 50 м.
Решение :
Определяется перепад давлений, преобразовав формулу (3):
ΔР = 2,3 - 0,1 = 2,2 МПа
Рассчитывается плотность газа по уравнению (5):
ρ = 1,22 · (2,3/0,1)1/1,4 = 11,46 кг/м3
Полная масса газа:
С = 11,46 · 600 = 6873 кг
Q = 2,2 / = 0,48 МДж/кг
qтнт = 0,48 · 6873 / 4,24 = 778 кг
Эквивалент по ударной волне:
qу. в. = 0,6 · 778 = 467 кг
Применительно к наземному взрыву принимается значение:
q = 2 · 467 = 934 кг
Результаты расчета приведены ниже (таблица 4).
Таблица 4 – Радиусы зон воздействия УВВ
|
ΔРфр, кПа | ||||||
Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 50 м:
50/(9341/3) = 5,12
ΔРфр = 0,084/5,12 + 0,27/5,122 + 0,7/5,123 = 31,9 кПа.
I = 0,4 · 9342/3/50 = 0,76 кПа·с
Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 50 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):
V = (17500/(31,9·103))8,4 + (290/(0,79·103))9,3 = 0,0065
Pr = 5 - 0,26 · ln(0,0065) = 6,31
С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 50 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 91%.
Пример №2
Взрыв шарового газгольдера диоксида углерода объемом V = 500 м3 (радиус сферы 4,95 м) произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат изготовлен из стали 09Г2С толщиной стенки 16 мм и рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Временное сопротивление разрушения материала σв = 470 МПа. Плотность газа при нормальном давлении ρ = 1,98 кг/м3, показатель адиабаты γ = 1,3. Оценить последствия взрыва сжатого диоксида углерода в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 120 м.
Решение:
Разрушающее давление определяется по формуле (2):
ΔP = 2 · 0,016 · 470/4,95 = 3 МПа
Определяется давление парогазовой смеси в емкости по формуле (3):
Р = 3 + 0,1 = 3,1 МПа
Рассчитывается плотность газа по уравнению (5) при давлении Р:
ρ = 1,98 · (3,1/0,1)1/1,3 = 28,05кг/м3
Полная масса газа:
С = 28,05 · 550 = 14026 кг
По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:
Q = 3 / = 0,36 МДж/кг
Тротиловый эквивалент взрыва газа составит:
qтнт = 0,36 · 14026 / 4,24 = 1194 кг
Эквивалент по ударной волне:
qу. в. = 0,6 · 1194 = 717 кг
Применительно к наземному взрыву принимается значение:
q = 2 · 717 = 1433 кг
Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.
Результаты расчета приведены ниже (таблица 5).
Таблица 5 – Радиусы зон воздействия УВВ
|
ΔРфр, кПа | ||||||
Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 120 м:
120/(14333) = 10,64
ΔРфр = 0,084/10,64 + 0,27/10,642 + 0,7/10,643 = 10,9 кПа.
I = 0,4 · 14332/3/120 = 0,42 кПа·с
Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 120 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):
V = (17500/(10,9*103))8,4 + (290/(0,42*103))9,3 = 0,029
Pr = 5 - 0,26 * ln(0,029) = 5,92
С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 120 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 82%.
Химические взрывы
Пример №1
Из хранилища объемом V = 1000 м3 был слит толуол для проведения ремонта. В начале сварки произошел взрыв паров толуола. Плотность паров по воздуху при нормальном давлении ρ = 3,2, показатель адиабаты γ = 1,4, ВКПВ - 7,8 % об., теплота взрыва газа 41 МДж/кг. Оценить последствия взрыва (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 100 м.
Решение :
В хранилище атмосферное давление Р = 0,1 МПа.
Плотность паров:
ρ = 3,2 · 1,29 = 4,13 кг/м3
Объем пара находится через ВКПВ (считается, что весь объем заполнен смесью с концентрацией паров толуола, соответствующей ВКПВ):
V = 1000 · 7,8/100 = 78 м3
Полная масса газа:
С = 4,13 · 78 = 322 кг
По формуле (8) рассчитывается удельная энергия газа:
Q = 41 + 1/ = 41,06 МДж/кг
Тротиловый эквивалент взрыва составит:
qтнт = 41,06 · 322 / 4,24 = 3118 кг
Эквивалент по ударной волне:
qу. в. = 0,6 · 3118 = 1871 кг
Применительно к наземному взрыву принимается значение:
q = 2 · 1871 = 3742 кг
Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.
Результаты подсчета давлений и импульсов приведены ниже (таблица 6).
Таблица 6 – Радиусы зон воздействия УВВ
|
ΔРфр, кПа | ||||||
Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 100 м:
100/(37421/3) = 6,44
ΔРфр = 0,084/6,44 + 0,27/6,442 + 0,7/6,443 = 22,2 кПа.
I = 0,4 · 37422/3/100 = 0,96 кПа·с
Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 100 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):
V = (17500/(22,2·103))8,4 + (290/(0,96·103))9,3 = 0,14
Pr = 5 - 0,26 · ln(0,14) = 5,51
С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 100 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 69%.
Пример №2
Взрыв железнодорожной цистерны объемом V = 60 м3, заполненной на 80 % толуолом, произошел в результате удара молнии. Плотность газа при нормальном давлении ρ = 4,13 кг/м3, показатель адиабаты γ = 1,4, ВКПВ – 7,8 % об., теплота взрыва газа 41 МДж/кг. Давление в цистерне Р = 0,1 МПа. Оценить последствия взрыва (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 30 м.
Решение :
Объем газа определяется через коэффициент заполнения и ВКПВ (считается, что весь объем заполнен смесью с концентрацией паров толуола, соответствующей ВКПВ):
V = 60 · 0,2 · 0,078 = 0,936 м3
Полная масса газа:
С = 4,13 · 0,936 = 3,9 кг
По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:
Q = 41 + 0,9/ = 41,1 МДж/кг
Тротиловый эквивалент взрыва составит:
qтнт = 41,1 · 3,9 / 4,24 = 37,4 кг
Эквивалент по ударной волне:
qу. в. = 0,6 · 37,4 = 22,4 кг
Применительно к наземному взрыву принимается значение:
q = 2· 22,4 = 44,8 кг
Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.
Результаты подсчета давлений и импульсов приведены ниже (таблица 7).
Таблица 7 – Радиусы зон воздействия УВВ
|
ΔРфр, кПа | ||||||
Для определения вероятности поражения человека на расстоянии R по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 30 м:
30/(44,81/3) = 8,4
ΔРфр = 0,084/8,4 + 0,27/8,42 + 0,7/8,43 = 14,9 кПа.
I = 0,4 · 44,82/3/30 = 0,17 кПа·с
Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 70 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):
V = (17500/(14,9·103))8,4 + (290/(0,17·103))9,3 = 161
Pr = 5 - 0,26·ln(161) = 3,7
С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 30 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 10%.
Список использованной литературы
1. Челышев теории взрыва и горения. Учебное пособие – М.: Министерство обороны СССР, 1981. – 212 с.
2. Взрывные явления. Оценка и последствия: В 2-х книгах. Книга 1. Пер. с англ./ – М.: Мир, 1986. – 319 с.
3. Бесчастнов взрывы. Оценка и предупреждение – М.: Химия, 1991. – 432 с.
5. http://www. Пресс-Центр. ru
6. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Учебное пособие. Книга 2. и др. – М.: Изд. АСВ, 1996. – 384с.
7. ГОСТ Р 12.3.047-98 ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.
8. РД Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей.
9. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения/, и др. – М.: Химия, 1990. – 496 с.
10. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости. Справочник/под ред. -Агалакова – М.: Изд-во мин. коммунального хоз-ва, 1956. – 112 с.
11. , Носков и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
12. Бережковский и транспортирование химических продуктов. – Л.: Химия, 1982. – 253 с.
13. , Кондратьева безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств. – Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение, 1988. – 303 с.
14. Справочник металлиста. В 5-ти т. Т. 2. Под ред. , – М.: Машиностроение, 1976. – 720 с.
Приложения
Приложение А
Таблица А1 - Свойства газов и некоторых жидкостей
|
Название |
Плотность вещества, кг/м3 (при 20 оС) |
Плотность по воздуху газа (пара)* |
Коэффициент адиабаты |
|
Ацетилен | |||
|
Диоксид азота | |||
|
Диоксид углерода | |||
|
Кислород | |||
|
Пропилен | |||
Примечание: Для определения плотности паров используется плотность воздуха при 0 оС.
Приложение Б
Таблица Б1 - Конструкционные материалы
|
Материал |
Предел прочности, σв МПа |
Назначение |
|
Ст3пс, Ст3сп (гр. А) |
Для деталей машин, станков, резервуаров. |
|
|
Для хранения разбавленной азотной и серной кислоты, раствора аммиачной селитры и аналогичных веществ с плотностью 1400 кг/м3. |
||
|
Для хранения агрессивных химических продуктов плотностью 1540 кг/м3. |
||
|
При изготовлении трубопроводов и аппаратов. Резервуары для хранения сжиженных газов, железнодорожные цистерны. |
||
|
Трубопроводы, давление до 100 кгс/см2. |
||
|
Северного исполнения для деталей машин. |
||
