Чрезвычайные ситуации, вызванные взрывами

Для определения негативного воздействия поражающих фак­торов ЧС на человека, его имущество и О ПС необходимо знать пространственно-временное распределение тех или иных физи­ко-химических, биологических, теплофизических и других пара­метров:

при барическом воздействии — избыточные давления на фронте ударной волны и импульс фазы сжатия;

при термическом воздействии — поле плотностей тепловых по­токов излучения;

при токсическом воздействии — поле концентраций (токси-доз) токсиканта и т.д.).

Под сценарием развития техногенной аварии будем понимать последовательность логически связанных между собой отдель­ных событий (истечение, выброс, испарение, рассеяние, дрейф паров, воспламенение, взрыв, воздействие на людей и соседнее оборудование и т.п.), в соответствии с которыми определяются поля физических параметров, вид и величина поражающих фак­торов, степень поражения людей, их имущества, ОПС.

Как было сказано ранее, ударная волна, негативно воздейству­ющая на человека, здания, сооружения и т.п., может образовать­ся при взрыве ядерного оружия, атомного реактора, технологи­ческой установки, резервуара, парогазовоздушного облака взрыв­чатого вещества и т.д. Все они имеют как общие, так и отличи­тельные черты.

Общая характеристика взрывов. Согласно ГОСТ Р 22.0.05 — 94: взрыв — быстро протекающий процесс физических и химических превращений вещества, сопровождающийся высвобождением зна­чительного количества энергии в ограниченном объеме, в резуль­тате которого в окружающем пространстве образуется и распро­страняется ударная волна, способная привести или приводящая к возникновению техногенной ЧС.

По мере прохождения ударной волны давление в фиксирован­ной точке изменяется. Период т⁺ повышенного избыточного дав­ления Д/ф = Р - Р₀ > 0 называется фазой сжатия, а период т пониженного давления — фазой разрежения. По мере распространения ударной волны ее интенсивность убывает, скорость продвижения фронта волны уменьшается, и на определенном расстоянии от эпицентра взрыва ударная волна пе­реходит в звуковую.

Согласно закону Хопкинса —Кранца при взрыве двух зарядов взрывчатого вещества одной формы, но разного размера (массы) в одинаковой атмосфере подобные взрывные волны будут наблю­даться на одинаковом приведенном расстоянии

R* = Я(Р₀/т)1/3 (4.1)

где R — расстояние от эпицентра взрыва, м; Р₀ ^— давление на­чальное в фиксированной точке, кПа; т — масса взрывчатого вещества, кг.

Формула (4.1) дает возможность оценивать различные взры­вы, сопоставляя их со взрывом эталонного вещества, в качестве которого обычно принимают тротил (тринитротолуол).

Под тротиловым эквивалентом т_тТ1 кг, понимают массу тако­го тротилового заряда, при взрыве которого выделяется столько же энергии, сколько и при взрыве данного заряда массой т, кг, т.е.

т_ТНТ = mQ_vi/ Q_VТНТ (4.2)

где Q_v, Q_VТНТ — энергии взрыва данного вещества и тротила, кДж/кг. Используя понятие «тротилового эквивалента», из формулы (4.1) несложно получить

R*=Rm _ТНТ ^-1/3 (4.3)

Величину удельного импульса /⁺, кПа • с, для фазы сжатия (0 < т < т⁺) можно найти по формуле

I⁺ =₀ ∫ ^{τ +} ∆ Р_ф(t)dt ~ 0, 4m _экв ^2/3R ^-1/2 (4.4)

Импульс фазы разрежения играет несколько меньшую роль, а его значение отрицательно.

Взрывы большинства конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) протекают в режиме детонации, при котором взрывная вол­на распространяется с постоянной скоростью при данной плотно­сти и форме заряда. Значения скоростей детонации находятся в пределах от 1, 5 км/с (для некоторых промышленных ВВ) до 8 км/с (для мощных типичных ВВ); при этом давления взрывов достига­ют 20... 38 ГПа.

Взрывные волны, генерируемые взрывами паро-газовых и дис­персных сред вследствие малой плотности и других особенностей процессов горения характеризуются более низкими параметрами.

При скорости распространения пламени, не превышающей ско­рость звука, возникает дефлаграционное, или взрывное, горение, при котором продукты сгорания нагреваются до температур 1500... 3000 °С и генерируются ударные волны с максимальным дав­лением 20... 100 кПа. В ударную волну переходит около 40 % энер­гии взрыва.

В определенных условиях дефлаграционное горение может пе­рейти в детонационный процесс, при котором скорость распро­странения пламени достигает 1...5 км/с. Избыточное давление в пределах детонирующего облака может достигать 2 МПа.

Изменение избыточного давления во фронте ударной волны, образующейся при взрыве сосуда со сжатым газом, при высоких давлениях и температурах подобно изменению этой величины в волне, генерируемой при взрыве конденсированного ВВ. Однако следует учитывать, что при взрыве сосуда со сжатым газом только 40...60% энергии взрыва тратится на образование ударной вол­ны, а остальное — на разрушение сосуда и разлет осколков.

Особое внимание следует обратить на сосуды с перегретыми жидкостями, при аварийной разгерметизации которых может про­изойти взрыв. При нарушении герметичности сосуда с перегретой жидкостью, сопровождающемся падением давления, происходит интенсивное испарение жидкости с образованием и воспламене­нием паров в окружающей среде и формированием ударных волн. Такие взрывы называют взрывами типа BLEVE {Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion).

Несмотря на многие общие особенности распространения удар­ных волн, генерируемых при взрывах различных типов, имеются и существенные различия. Поэтому далее различные сценарии взрывных аварий рассматривают раздельно, с учетом того, что основными параметрами, определяющими барическое поражаю­щее действие взрыва, являются величины избыточного давления и импульса.

Взрывы конденсированных взрывчатых веществ. Избыточное давление, кПа, на фронте свободно распространяющейся сфери­ческой воздушной ударной волны при взрыве конденсированных ВВ определяется по формуле М. А. Садовского

∆ Р_Ф = 95/R* + 390/(R*)² + 1300/(R*)³. (4.5)

Формула (4.5) справедлива в диапазоне 1 < R* < 100. Величину импульса фазы сжатия, Па • с, можно определить по формуле

I⁺= 54mU_ТНТ ^2/3 /R (4.6)

Мощность контактного взрыва на неразрушаемой преграде удваивается в связи с формированием полусферической отраженной волны. Поэтому для наземных взрывов величина тротилового эквивалента т_1НТ в формуле (4.3) умножается на величину 2л, где коэффициент л < 1 учитывает расход энергии на образование во­ронки в грунте. Для средних грунтов л = 0, 6...0, 65, для плотных суглинков и глины л = 0, 8.

Взрывы технологических систем со сжатыми негорючими газа­ми. При взрыве под давлением сосудов, имеющих форму шаровых газгольдеров и баллонов, могут возникать сильные ударные вол­ны, образуется большое число осколков, что приводит к серьез­ным разрушениям и травмам.

Общая энергия взрыва, кДж, определяется как

E=[{P_l-P_Q)/(k_r-1\)]V_l, (4.7)

где Р_х — начальное давление газа в сосуде, кПа; к_г — показатель адиабаты газа {к_г = C_p/C_v); V_x — объем сосуда, м³.

Для технологических объектов с высокими значениями пара­метров сжатых газов и энергетических потенциалов уровень опас­ности можно оценивать по энергетическим балансам как ударных волн [Е_ув = {0, 6...0, 4)E], так и разлета осколков [(Еоск = (0, 4...0, 6)E].

В этом случае

m_THT = {O, 4...0, 6)E/Q_vТНТ (4.2а)

где Q_VTHT — энергия взрыва тротила {Q_VTHT = 4520 кДж/кг).

Изменение избыточного давления на фронте ударной волны при взрыве сосуда со сжатым газом можно определить по формулам

где Р_х — начальное давление газа в сосуде, кПа; к_г — показатель адиабаты газа {к_г = C_p/C_v); V_x — объем сосуда, м³.

Для технологических объектов с высокими значениями пара­метров сжатых газов и энергетических потенциалов уровень опас­ности можно оценивать по энергетическим балансам как ударных волн [Е_ув = {0, 6...0, 4)Щ, так и разлета осколков [(Е_ЖК = (0, 4...0, 6)^].

В этом случае

m_THT = {O, 4...0, 6)E/Q_v (4.2а)

где Q_VTHT — энергия взрыва тротила {Q_VTHT =* 4520 кДж/кг).

Изменение избыточного давления на фронте ударной волны при взрыве сосуда со сжатым газом можно определить по формулам

где к = 1, 4 — показатель адиабаты для воздуха; а — скорость звука в воздухе, м/с.

 

 

0.35246(k-1) ^{-1.768-0.139451 lg(k-1)} при R*≤ 2.

a=

1.238k ^{-2.1448+0.2325 lg k} при R*> 2

 

 

Положительный импульс давления фазы сжатия равен

 

I⁺ (0.12323k(k+1)PoR/a

 

Взрывы технологических систем с перегретыми жидкостями. В раз­личных отраслях промышленности приходится иметь дело с огромными массами как нейтральных, так и горючих перегретых жид­костей, к которым относятся сжиженные углеводородные газы, хлор, аммиак, фреоны и др. Жидкость, имеющая температуру кипения ниже температуры окружающей среды, является пере­гретой при высоких температурах и давлениях, превышающих ат­мосферные (например, вода в паровых котлах). Уровень перегрева жидкости обычно характеризуется разностью между температу­рой, при которой жидкость находится в технологической систе­ме, и температурой кипения жидкости при атмосферном давле­нии. Если внезапно разрушается сосуд (система) с перегретой жидкостью, последняя быстро испаряется с образованием пара в окружающей среде и формированием ударных волн.

В зависимости от давления и температуры вещество может на­ходиться в различных агрегатных состояниях. В. Маршалл класси­фицировал вещества по признаку их расположения в зонах диа­граммы состояния.

Категория I — вещества с критической температурой ниже тем­пературы окружающей среды (криогенные вещества — сжижен­ный природный газ (СПГ), азот, кислород).

Категория II — вещества с критической температурой выше и точкой кипения ниже, чем температура окружающей среды (сжи­женный нефтяной газ (СНГ), пропан, бутан в теплую погоду, аммиак, хлор). Их особенностью является мгновенное испарение части жидкости при разгерметизации и охлаждение оставшейся доли до точки кипения при атмосферном давлении.

Категорию III составляют жидкости, у которых критическое давление выше атмосферного и температура кипения выше тем­пературы окружающей среды (вещества, находящиеся в обыч­ных условиях в жидком состоянии, например вода). Сюда попа­дают также некоторые вещества из предыдущей категории, на­пример, бутан — в холодную погоду.

Категория IV — вещества, содержащиеся при повышенных тем­пературах (водяной пар в котлах, циклогексан и другие жидкости под давлением и температуре, превышающей их точку кипения при атмосферном давлении).

Критические параметры и плотность некоторых веществ приве­дены в табл. 4.1.

При нарушении герметичности сосуда с перегретой жидко­стью в зависимости от принадлежности жидкости к той или иной категории могут иметь место различные сценарии развития ава­рии.

При разгерметизации сосуда, содержащего вещество I катего­рии, вытекающая криогенная жидкость будет находиться в рав­новесии со своими парами при давлении, равном или близком к атмосферному. При подводе теплоты немедленно возникает кипе­ние жидкости с интенсивностью, пропорциональной скорости

Таблица 4.1

Значения критических параметров и плотности (р_сж) некоторых веществ в сжиженном состоянии

Вещество	/кип, " С, при 7*0 = 0, 1 МПа	> кр, °С	Ркр, МПа	Рсж, КГ/М3
Водород Н2	-252, 00	-240, 0	1, 28
Азот N2	-196, 00	-147, 0	3, 40
Кислород 02	-183, 00	-118, 0	5, 05
Метан СН4	-164, 00	-82, 0	4, 65
Тетрафторметан CF4	-128, 00	-45, 5	—
Этилен С2Н4	-103, 70	9, 5	5, 02
Этан С2Н6	-88, 60	32, 1	4, 83
Диоксид углерода С02	-78, 52	31, 0	7, 40
Пропилен С3Н6	-47, 70	91, 4	4, 55
Пропан С3Н8	-42, 17	96, 8	4, 21
Хлор С12	-34, 50	144, 0	7, 70
Аммиак NH3	-33, 35	132, 4	11, 30
Бутан С4Н10	, -0, 60	153, 0	3, 70
Циклогексан С6Н10	80, 70	280, 0	4, 01
Вода Н20	100, 00	374, 0	21, 80

подвода теплоты, причем может иметь место как пузырьковый, так и пленочный режим кипения. В случае разлития СПГ, пред­ставляющего собой смесь газов, будет происходить разделение фракций, причем первыми испаряются вещества с более низкой температурой кипения. Слой вытекшей жидкости со временем обо­гащается тяжелыми углеводородами и температура ее кипения по­вышается. Это может привести к изменению величины теплового потока, что в свою очередь способствует возникновению «беспла­менного взрыва», который имеет место при разлитии СПГ на поверхность воды.

Основным отличием жидкостей II категории является явление «мгновенного испарения», которое возникает тогда, когда в си­стеме, состоящей из жидкости и находящихся в равновесии с ней паров, понижается давление (происходит разгерметизация).

Для энергетической оценки опасности взрыва перегретой жид­кости необходимо знать долю жидкости, мгновенно испарившей­ся за счет внутренней энергии перегрева:

т_т=(Н_T-Н₀)/L_исп, (4.10)

где m_T — доля мгновенно испарившейся в адиабатическом режи­ме жидкости при температуре Т; Н_T — удельная энтальпия жид­кости при температуре Г; H₀ — удельная энтальпия жидкости при температуре кипения при атмосферном давлении; L_исп — удель­ная теплота испарения при температуре кипения и атмосферном давлении.

Результаты расчетов доли мгновенно испарившейся жидкости по формуле (4.10) для некоторых сжиженных газов представлены на рис. 4.1.

На практике мгновенное парообразование может протекать с понижением температуры, пенообразованием, диспергировани­ем выбрасываемой жидкости и образованием ударных волн. Взры­вы технологических систем с высокими параметрами перегрева жидкости по разрушающему эффекту подобны взрывам сосудов со сжатым газом. Например, найденные по формуле (4.2) тротиловые эквиваленты взрыва одной железнодорожной цистерны с жидким хлором при температуре 50 °С и 1 м³ перегретой до 200 °С воды будут соответственно составлять 900 и 90 кг.

Особое место занимают аварии типа BLEVE, включающие в себя физические процессы взрывного вскипания перегретой жид­кости, взрыв сосуда с образованием ударной волны и разлетом осколков, выброс содержимого резервуара в окружающую среду с образованием в случае горючей жидкости быстро сгорающего аэрозольного облака (огненного шара).

рис. 4.1. Доля мгновенно испарившейся в адиабатическом режиме жид­кости: / — этилен; 2 — пропан; 3 — хлор и аммиак; 4 — бутан

Для возникновения аварии типа BLEVE необходимы следую­щие предпосылки:

находящаяся в резервуаре жидкость «термодинамически пере­грета» относительно состояния насыщения при атмосферном дав­лении;

в результате аварийной разгерметизации должно произойти рез­кое падение давления над поверхностью раздела жидкой и паро­вой фаз;

величина термодинамической метастабильности жидкости при снижении давления должна достичь рбласти локального перегре­ва, при которой происходит мгновенное вскипание жидкости по всему объему.

При «паровом взрыве» давление в сосуде возрастает в сотни раз, что ведет к разрушению корпуса. За счет резкого снижения давле­ния часть жидкости превратится в пар, а оставшаяся часть уже пе­реохлажденной жидкости будет практически полностью захвачена резко расширяющимся паром и вынесена в окружающее простран­ство. Образуется аэрозольное облако, которое в случае горючей жид­кости с высокой степенью вероятности воспламеняется.

Возможны три сценария развития аварии сосуда с перегретой жидкостью.

В случае полного разрушения сосуда теоретическое время испа­рения т_исп несложно вычислить, принимая, что пары без переме­шивания с воздухом образуют полусферическое облако радиусом Rполусф мгновенно образующийся пар перемещается от поверхно­сти жидкости до края облака со скоростью звука в паре а_пар. Объем облака представляет собой сумму объемов парового выброса V_nap и объема неиспарившейся жидкости V_ж. Радиус полусферы несложно найти, исходя из элементарных геометрических соотношений

V= Vпг_Р +V_Ж= ²/₃π R³полус_Ф; Rполусф = 0, 78 V ¹/₃ (4.11)

Теоретическое время испарения равно

т_исп = 0, 78(V- V_ж)'/з/a_пар. (4.12)

При взрыве сосуда с перегретой жидкостью 40 % энергии взрыва переходит в энергию осколков, а 60 % — в энергию ударной вол­ны. В этом случае формула (4.2) принимает вид

m тнт ^— 0, 6E/Qтнт (4.13)

и, используя формулы (4.8) и (4.9), можно определить поражаю­щее действие генерируемой при взрыве сосуда с перегретой жид­костью ударной волны.

В случае перегретой горючей жидкости облако пара может вос­пламениться с образованием огненного шара.

При нарушении герметичности сосуда выше уровня жидкости (трещины, коррозия, усталость, механические повреждения и т.п.) даже в случае небольшого отверстия истечение пара будет продолжаться до тех пор, пока не испарится вся жидкость. Сни­жение давления, зависящее от скорости истечения пара (разме­ров отверстия), приведет к снижению температуры жидкости в сосуде. Скорость истечения, зависящая от диаметра отверстия, давления и температуры жидкости в сосуде, может быть опреде­лена по стандартным методикам (см. подразд. 4.3). В ряде случаев из отверстия в сосуде будет выходить парожидкостная смесь. В этом случае расчет скорости истечения проводится по формулам гид­родинамики двухфазных систем.

Если в сосуде находилась перегретая горючая жидкость, то в случае воспламенения струи образуется струевое пламя или обра­зующееся облако пара может воспламенится с образованием ог­ненного шара.

Если в сосуде находилась негорючая токсичная жидкость, то образующееся облако дрейфует в соответствии с метеорологи­ческими условиями. Сценарии развития таких аварий рассмотре­ны в подразд. 4.3.

При пробое сосуда ниже уровня жидкости можно ожидать по­явления однофазной струи, мгновенное испарение которой про­исходит вне сосуда. Из-за мгновенного испарения скорость выте­кающей струи будет ниже скорости однофазного потока, но выше, чем в случае пробоя выше уровня жидкости в сосуде.

При наличии в сосуде жидкости категории III сценарий разви­тия аварии, как и в предыдущем случае, будет зависеть от вида и места нарушения герметичности сосуда. При полном разрушении сосуда и его пробое выше уровня жидкости сценарии развития аварий будут идентичны описанным выше. При пробое ниже уровня жидкости сценарий развития аварии будет зависеть от летучести жидкости. Поскольку жидкости, относящиеся к категории III, име­ют близкие точки кипения, то их поведение будет зависеть от температуры самой жидкости и окружающей среды. Сценарий ава­рии с разлитием жидкости будет рассмотрен ниже.

Жидкости категории IV, содержащиеся при температуре выше их точки кипения при атмосферном давлении, являются, по сути дела, сжиженными парами и будут мгновенно испаряться в слу­чае их разлития. Однако в случае низких температур окружающей среды может иметь место частичная конденсация выброшенного пара.

Взрывы парогазовоздушных смесей. Образующееся при различ­ных техногенных авариях парогазовоздушное облако при наличии источника зажигания может воспламениться, причем в зависи­мости от размеров облака, свойств смеси, параметров подстила­ющей поверхности и т. п. может иметь место как дефлаграционное (скорость распространения пламени ниже скорости звука), так и детонационное (скорость распространения пламени выше скоро-

 

Таблица 4.2 Классификация парогазовоздушных смесей по коэффициенту чувствительности Р

 

Класс 1. Особо	Класс 2. Чувствительные	Класс 3. Средне-	Класс 4. Слабочувствительные
чувствительные вещества	вещества		чувствительные вещества	вещества
Вещество	β	Вещество	β	Вещество	β	Вещество	β
Ацетилен	1, 10	Акрил нитрил	—	Ацетальдегид	0, 56	Аммиак	0, 42
Винилацетилен	1, 03	Акролеин	0, 62	Ацетон	0, 65	Бензол	0, 88
Водород	2, 73	Бутан	1, 04	Бензин	1, 00	Декан	1, 00
Гидразин	0, 44	Бутилен	1, 00	Винилацетат	0, 51	Дизельное топливо	1, 00
Изопропилнитрат	0, 41	Бутадиен	1, 00	Винилхлорид	0, 42	О-дихлорбензол	0, 42
Метилацетилен	1, 05	1, 3-пентадиен	, 1, 00	Гексан	1, 00	Бензолдодекан	1, 00
Нитрометан	0, 25	Пропан	1, 05	Изооктан	1, 00	Керосин	1, 00
Оксид пропилена	—	Пропилен	1, 04	Металамин	0, 70	Метан	1, 14
Оксид этилена	0, 62	Сероуглерод	0, 32	Пиридин	0, 77	Метил бензол	1, 00
Этил нитрат	0, 30	Этан	1, 08	Сероводород	0, 34	Метил меркаптан	0, 53
		Этилен	1, 07	Спирты:		Нафталин	0, 91
		Оксид пропилена	0, 70	метиловый	0, 52	Оксид углерода	0, 23
		Эфиры:		этиловый	0, 62	Дихлорэтан	0, 25
		диметиловый	0, 66	пропиловый	0, 69	Трихлорэтан	0, 14
		дивиниловый	0, 77	изобутиловый	0, 79
		метил-бутиловый	—	Циклогексан	1, 00
		диэтиловый	0, 77	спг	1, 00
		диизопропиловый	0, 83	Кумол Печной газ Циклопропан Этиламин	0, 84 0, 09 1, 00 0, 80

 

 

Примечание. Если в табл. 4.2 вещество и информация о его свойствах отсутствуют, его следует относить к классу 1.

 

сти звука) горение. Классификация парогазовоздушных смесей по степени чувствительности приведена в табл. 4.2.

Скорость взрывного превращения в значительной степени за­висит от параметров подстилающей поверхности, которая клас­сифицируется в соответствии со степенью загроможденное™.

Вид 1. Наличие длинных труб, полостей, каверн, заполненных горючей смесью.

Вид 2. Сильно загроможденное пространство: наличие полу­замкнутых объемов, высокая плотность размещения оборудова­ния, лес, большое количество повторяющихся препятствий.

Вид 3. Среднезагроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк.

Вид 4. Слабо загроможденное пространство.

В зависимости от класса смеси и вида пространства можно ожи­дать следующие диапазоны скорости взрывного превращения (табл. 4.3).

Приведенные в табл. 4.3 диапазоны скорости взрывного пре­вращения соответствуют следующим значениям:

1) детонация или горение со скоростью фронта пламени более 500 м/с;

2) детонация, скорость фронта пламени 300,..500 м/с;

3) дефлаграция, скорость фронта пламени 200...300 м/с;

4) дефлаграция, скорость фронта пламени 150...2500 м/с;

5) дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соот­ношением

ω _ф = 43М^1/6 (4.14)

6) дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соот­ношением

ω _ф = 26М^1/6 (4.15)

где М_г — масса горючего газа, содержащегося в облаке, кг.

Образующееся парогазовоздушное облако может быть гетеро­генным (более 50 % топлива содержится в виде капель) и газовым (в виде капель содержится менее 50 % топлива). К гетерогенным

Таблица 4.3

Экспертная таблица для определения ожидаемого диапазона скорости взрывного превращения

 

Класс смеси	Вид окружающего пространства
2 3 4	1 1 2 3	2 3 4	2 3 4	3 4 5 6

 

облакам можно отнести облака веществ с низким давлением на­сыщенного пара, к газовым — облака летучих веществ.

Расчет параметров образующейся ударной волны производит­ся с использованием безразмерного радиуса

R* = R(10E/Р₀)^1/3, (4.16)

где Е — эффективный энергозапас горючей смеси, определяе­мый по соотношениям:

Е= М_г< 2$при с_г< с_стх;

Е= M_VQ^H_Pс_стх/с_г при с_г > с_стх. (4.17)

Значения низшей теплоты сгорания топлива Q_P, МДж/кг, и концентрации газа в смеси стехиометрического состава с_стх, % об., берутся из справочных данных (прил. III). Для перевода концент­рации из объемных долей в единицы [кг/м³] используется соотно­шение с[кг/м³] = 0, 01 с[% об.] • р_г.

Если определение концентрации газа в смеси вызывает затруд­нение, в качестве величины с_г можно принять значение нижнего концентрационного предела воспламенения горючего газа. В случае затруднений с определением Q^Hp теплоту сгорания топлива можно определить по упрощенному соотношению Q^Hp- 44(3, МДж/кг, где значение β заимствуется из табл. 4.2.

При расчете параметров взрыва облака, лежащего на поверх­ности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается.

В случае детонации газового облака расчет безразмерного дав­ления Р* и безразмерного импульса R* ударной волны произво­дится по формулам:

1п(R*) = 1, 124 - 1, 66ln(R) + 0, 26(ln(R))² при R > 0, 2; (4.18)

1п(R) = 3, 4217 - 0, 898ln(R) + 0, 0096(ln(R))² при R* > 0, 2. (4.19)

Формулы (4.18) и (4.19) справедливы для значений R* < 0, 2. В противном случае принимается, что P* = 18, а в формулу (4.19) подставляется значение R* - 0, 142.

В случае детонации гетерогенного облака расчет производится по следующим формулам:

Р* = 0, 125/R* + 0, 137/(R)² + 0, 023/(R)³; (4.20)

I* = 0, 022/R*. (4.21)

Формулы (4.20) и (4.21) справедливы для значений R* > 0, 25, в противном случае величина Р* = 18, а величина I* = 0, 16.

В случае дефлаграции газового и гетерогенного облаков расчет безразмерного давления R*₂ и безразмерного импульса I*₂ ударной волны производится по формулам:

Р*₂= (ω _a^./a)1) ²[(σ -1)/σ ][0.83/R*-0.14/(R*)² ] (4-22)

I*₂ =(ω _a^./a) [(σ -1)/σ ]{1-0.4[(σ -1)/σ ] ω _a^./a}[0.06/R*+0.01/(R*)²-0.025/(R*)³] (4.23)

Выражения (4.22) и (4.23) справедливы для значений R* > R_Kp = = 0, 34. В противном случае в последние формулы вместо R* следует подставлять R_Kp.

Далее по формулам (4.18) и (4.19) или (4.20) и (4.21) вычис­ляют значения Р] и 1\ и окончательные значения Р*₁и I*₁выбира­ются из условия

Р* = min(Р*₁, I*₁); I*= min(I*₁ I*₂). (4.24)

Размерные величины избыточного давления на фронте удар­ной волны ∆ P_Ф, кПа, и импульса фазы сжатия I⁺ кПа • с, опреде­ляем по соотношениям

Р_Ф = Р*Ро; (4-25)

I⁺ = 100 I*(0.1Po)^2/3E^/1/3/a (4-26)

Зная ∆ Р_Ф и I⁺ по формулам, приведенным в гл. 2, несложно найти значения пробит-функции Рг и поражающего фактора Р_пор для разной степени поражения человека, зданий и сооружений.

Образование и разлет осколков. При повышении давления в сосуде со сжатым газом или перегретой жидкостью, постороннем механическом воздействии в стенке сосуда возникают напряже­ния, которые при достижении определенной величины могут при­вести к разрушению сосуда. Величина напряжения в стенке сосуда сферической формы радиусом г и толщиной 5 определяется по формуле ст = ∆ Рг/(26). Если величина напряжения превышает зна­чение временного сопротивления R_ипатериала стенки, имеет место разрушение последней. Это происходит при давлении

∆ P=25R_ип. (4.27)

Образующиеся при взрыве сосуда осколки имеют среднюю начальную скорость разлета, м/с, равную

ω ₀ =√ 2EоскM_Г /M об (4.28)

где Е_оск — энергия взрыва, идущая на образование и разлет ос­колков, кДж/кг; М_г и М_об — массы газа и оболочки сосуда соот­ветственно, кг.

Е_оск = (0, 4...0, 6)[P₁+P₀)ρ r(kr)/Pr(kr-1)] (4.7а)

где Q_v — энергия взрыва газа, Дж/кг; р_г — плотность газа при давлении Р₁ кг/м³.

Образовавшиеся осколки разлетаются со скоростью, м/с, опре­деляемой по формуле Г.И.Покровского

w = w₀exp(-R/(_Yι )) (4.29)

где у = ρ об/ρ воз ~ отношение плотностей материала оболочки и воздуха; R — радиус разлета осколков, м; R* ~ 2w₀√ H/g — мак­симальный радиус, в котором разлетаются осколки, м (R < R*); Н — высота центра взрыва, м; g — ускорение свободного падения,

равное 9, 81 м/с²; l_0с = √ d²_0с + h²_0с ^— характерный размер осколка, имеющего форму цилиндра диаметром d_QC и длиной h_oc, м.

При разрушении цилиндрического резервуара образуется поле осколков разного размера, но для приближенных расчетов можно принять, что все осколки имеют цилиндрическую форму с дли­ной И_ос, равной толщине оболочки сосуда 5_0б, и диаметром d_oc, м, равным

d_ос = rоб σ об /(ω ₀√ Eуρ об), (4.30)

где г_об — радиус оболочки сосуда, м; σ _об — предельное динами­ческое сопротивление разрушению; Е_у — модуль упругости; р_об — плотность материала оболочки сосуда. Масса одного осколка, кг, равна:

m_ос = 0, 25p_o6nd²_och_oc, (4.31)

а количество образующихся осколков равно

п = М₀₆/т_ос. (4.32)

Зная массу и скорость осколка, его поражающие свойства можно определить по формулам, приведенным в подразд. 2.5.

Разлетающиеся осколки оболочек взрывчатых веществ (устрой­ств), сосудов со сжатыми и горючими газами наряду с образую­щейся ударной волной являются основными причинами возник­новения вторичных эффектов. К ним относятся обрушение зда­ний и сооружений, детонация взрывоопасных веществ, пораже­ние оборудования осколками, воспламенение пожароопасных ве­ществ и материалов, объединяемые общим термином «эффект до­мино». Размеры зон возникновения вторичных эффектов опреде­ляются границами зон поражения соответствующих поражающих факторов (см. гл. 2).

Взрыв парогазовоздушного облака в ограниченном пространстве. При анализе сценариев аварий с технологической аппаратурой, содержащей горючие газы и жидкости, но находящейся в ограни­ченном пространстве, принимают, что все содержимое аппаратов поступает в помещение и одновременно происходит утечка вещества из подводящего и отводящего трубопроводов в течение време­ни, необходимого для отключения трубопроводов.

Приведем значения расчетного времени отключения трубопро­водов, с:

Вероятность отказов менее 10^-6 год^-1 или

обеспечено резервирование ее элементов...................Не более 120

Вероятность отказов более 10^-6 год^-1 или

не обеспечено резервирование ее элементов...................... 120

Ручное отключение................................................................300

Масса газа т_г, кг, поступившего в окружающее пространство при аварии аппарата, равна

т_г = (Va=V_T, )p_r (4, 33)

_где V_а _ объем газа, вышедшего из аппарата, м³; V_T — объем газа, вышедшего из трубопровода, м³.

V_а = 0, 01R₁V₁

где Р

_. — давление в аппарате, кПа; V₁— вместимость аппарата, м³.

V₁ = V_Tl + V_T2,

где V_Tl — объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключе­ния, м³; V_r2 — объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м³.

где Q — расход газа, определяемый в соответствии с технологи­ческим регламентом, в зависимости от давления в трубопрово­де, его диаметра, температуры газа и других условий, м³/с; т — время, с.

V_T2= 0, 01nP₂Σ r²_iL_i

где Р₂ — максимальное давление в трубопроводе по технологиче­скому регламенту, кПа; rj — внутренний радиус j-го участка тру­бопровода, м; Lj лина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

При аварии аппарата с жидкостью часть жидкости может на­ходиться в виде пара, вырывающегося при аварии в окружающее пространство с образованием первичного облака. Оставшаяся жид­кость при аварии аппарата (резервуара) разливается внутри поме­щения с последующим испарением с зеркала разлива и образова­нием вторичного облака.

Масса пара в первичном облаке, кг, равна:

m_п=α μ /R V₁ P₁ +V_T P₂ /T_ж (4, 34)

 

где а — объемная доля оборудования, заполненная газовой фазой; \i — молекулярная масса жидкости, кг/моль; R — универсальная газовая постоянная газа, равная 8, 31 Дж/(К-моль); Т_ж — темпе­ратура жидкости в аппаратуре, К.

Разлившаяся жидкость с температурой Т_ж < Т^_п испаряется с образованием пара массой т_{п исп}, кг,

т_{п исп} = WF _исп τ _исп(4.35)

где W— интенсивность испарения жидкости, кг/(м²-с); F_mn — пло­щадь испарения, определяемая из расчета, что 1 л смесей и ра­створов, содержащих по массе 70 % и менее растворителей, разли­вается по площади 0, 5 м², а 1 л остальных жидкостей — на 1 м² пола помещения; т_исп — время испарения разлившейся жидко­сти, с, равное либо времени полного испарения [т_исп = mj{ WF_HCn)]_t либо ограничиваемое временем 3600 с, в течение которых долж­ны быть приняты меры по устранению аварии.

Интенсивность испарения разлившейся жидкости в помеще­нии W, кг/(м^2, с), в рассматриваемом случае определяется по фор­муле

W = 10^-6мη √ μ Pнас (4.36)

где л — коэффициент, зависящий от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения (табл. 4.4). Давле­ние насыщенного пара P_Hac, кПа, при данной температуре нахо­дят по уравнению Антуана или по справочной литературе.

Избыточное давление взрыва ДР_Ф, кПа, для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов С, Н, О, CI, Br, F, опре­деляют по формуле

Р_Ф =(P_max-P₀)mZl0²

свРгkнcстх (4.37)

Таблица 4.4

Значения коэффициента г\

 

Скорость воздушного потока, м/с	Температура в помещении /, °	С

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. В 1453 г. Столетняя война закончилась изгнанием англичан из Франции. Несмотря на разорения, вызванные длительной войной, Франция вышла из нее более сплоченной и сильной.
2. Возможные чрезвычайные ситуации природного характера
3. Глава 3 ПРИРОДНЫЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ
4. Заболевания, вызванные вредными привычками
5. Занятие 12. Чрезвычайные ситуации социального характера
6. Основные ситуации, требующие экономической оценки транспортных операций.
7. Природные чрезвычайные ситуации. Наводнения.
8. Продолжали углубляться разногласия между руководством Советского Союза и Китайской Народной Республики, вызванные в основном субъективными причинами.
9. Процессы управления: целеполагание и оценка ситуации, принятие управленческих решений
10. Риски для корпораций, вызванные поведением стейкхолдеров
11. Семантический синтаксис - раздел языкознания, изучающий отношение высказывания к обозначаемой им ситуации, а также пути формирования смысла высказывания.
12. Чрезвычайные ситуации в современном мире: статистика, причины, последствия для экономики и общества