Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

М.В. Бесчастнов

ЛРОШЫШЛЕННЫЕ

ВЗРЫВЫ

оценка

и предупреждение

МОСКВА

<ХИМИЯ»

1991

УДК 66.08

Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение/Бесчаст -

нов М. В. — М., Химия, 1991. — с. 432.

15ВЫ 5-7245-0820—6

Дан анализ характерных опасностей, связанных с непреднамерен-

ными (случайными) промышленными взрывами. Приводятся результаты

исследования аварий и катастроф, даны рекомендации по снижению

энергетических потенциалов взрывоопасных технологических объектов.

Описаны физико-химические закономерности образования взрывающих-

ся сред, термодинамические и взрывоопасные характеристики техно-

логических систем.

Для специалистов народного хозяйства, разработчиков процессов,

проектировщиков и эксплуатационников.

Табл. 17. Ил. 135. Библиогр.: назв. 47

"3401040000—174

Б КБ-25-17-91

(050)01—91

15ВЫ 5—7245—0820—6

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 6

Глава 1. Общая характеристика взрывных явлений 9

1.1. Источники энергии взрывов 9

1.2. Количественная оценка энергии взрыва 12

1.3. Взрывные волны и режимы горения 14

1.4. Параметры взрывных волн 17

1.5. Моделирование взрывов 18

1.6. Распределение энергии и оценка разрушающей способности взрывов 22

1.7. Скорость энерговыделения источником 29

1.8. Режимы нагружения объектов при взрывах и оценка разрушающей

способности ударных волн 30

1.9. Статистическая оценка опасности взрывов 33

Глава 2. Конденсированные взрывчатые вещества 36

2.1. Химическое строение и взрывоопасные характеристики конденсиро-

ванных ВВ 37

2.2. Наземные взрывы больших масс конденсированных ВВ 40

2.3. Взрывы конденсированных ВВ на химических производствах 44

2.3.1. Нитросоединения 44

2.3.2. Аммонийные нитрит-нитратные соли 46

2.3.3. Нитрат целлюлозы 47

2.3.4. Ацетилен и его производные 48

2.3.5. Пероксидные соединения 56

2.3.6. Оксиликвиты 62

2.4. Технологические процессы, протекающие с образованием нестабиль-

ных конденсированных соединений 64

2.4.1. Образование органических пероксидов 64

2.4.2. Образование трихлорида азота 67

2.4.3. Образование диазосоединений 70

2.5. Оценка разрушающей способности надземных взрывов конденсиро-

ванных ВВ 72

Глава 3. Сжатые газы 79

3.1. Разрушающая способность систем со сжатыми газами 81

3.2. Взрывы технологических систем со сжатыми газами 84

3.2.1. Взрывы сферических емкостей больших объемов 84

3.2.2. Разрушение сосудов со сжатыми горючими газами (парами) 91

3.2.3. Взрывы сжатых негорючих газов в результате химических ре-

акций 96

Глава 4. Взрывоопасные парогазовые смеси 100

4.1. Взрывное термическое разложение 100

4.2. Характеристика взрывоопасных парогазовых смесей 101

4.2.1. Оценка разрушающей способности взрывов парогазовых смесей 103

4.2.2. Инициирование взрывов парогазовых смесей 110

4.3. Моделирование взрывов парогазовых смесей 111

4.4. Взрывы парогазовых смесей в замкнутых объемах 115

4.4.1. Взрывы в малых объемах 116

4.4.2. Взрывы в больших объемах 131

5. Взрывы паровых облаков в незамкнутом пространстве 134

|| 4.5.1. Крупномасштабные взрывы ' 135 • 4.5.2. Взрывы неограниченных облаков малых объемов 438

4.5.3. Совмещенные взрывы парогазовых смесей в открытом про-

странстве и замкнутых объемах

4.6. Аэровзвеси горючих жидкостей

4.7. Надземные взрывы парогазовых облаков

4.8. Взрывные явления при выбросах легких газов

4.9. Цепное развитие аварий при взрывах парогазовых смесей

Глава 5. Перегретые жидкости

5.1. Разрушающая способность взрывающихся систем с перегретыми жид-

костями

5.2. Оценка опасности огненных шаров

5.3. Высвобождение энергии перегрева жидкости при промышленных

авариях

5.3.1. Оценка последствий взрывных явлений при разрушении емко-

стей сжиженных углеводородных газов

5.3.2 Взрывы по модели огненного шара

5.3.3. Взрывы перегретых горючих жидкостей с температурой кипе-

ния, превышающей температуру окружающей среды

5.3.4. Оценка взрывов по модели парового облака

5.3.5. Оценка опасности по усредненным площадям адекватного раз-

рушения

5.4. Взрывы перегретых жидкостей и сжатых газов

5.5. Высвобождение энергии перегретых жидкостей в замкнутых объ-

емах

5.6. Оценка опасности перегретых жидкостей в трубопроводах большой

протяженности

5.6.1. Катастрофа на магистральном продуктопроводе и железной

дороге под Уфой

5.6.2. Уроки зарубежного опыта

5.7. Физические взрывы перегретых жидкостей

140

141

146

154

156

161

164

167

171

174

176

180

182

188

192

205

207

Глава 6. Экзотермические химические реакции

6.1. Характер и масштабы аварий

6.2. Жидкофазные экзотермические реакции в системах, содержащих

сжатые газы и перегретые жидкости

6.3. Экзотермические реакции в газовых средах малых объемов

6.4. Экзотермические реакции в газовых средах больших объемов

6.5. Жидкофазные экзотермические окислительные реакции

6.6. Реакции полимеризации и конденсации в жидкой фазе

211

214

217

220

225

235

Глава 7. Внешние энергоносители 244

7.1. Количественная оценка опасности 244

7.2. Нейтральные внутренние теплоносители 246

7.3. Огневой обогрев 247

7.4. Теплоотдача от окружающей среды 249

7.4.1. Тепло- и массообменные процессы при аварийных выбросах

жидкостей 249

7.4.2. Количественная оценка парообразования при теплоотдаче из

окружающей среды 254

7.5. Парообразование при крупномасштабных промышленных разливах

жидкости 257

7.5.1. Катастрофа на изотермическом хранилище жидкого аммиака 262

7.5.2. Разлив сжиженных углеводородных газов . .. 268

Глава 8. Пылевоздушные смеси

8.1. Основные параметры и оценка разрушающей способности взрывов

пыли

272

(

8.2. Оценка уровня взрывоопасное™ пылеобразующих технологиче-

ских объектов 283

8.3. Количественная оценка энергии взрыва пыли и его разрушающей

способности 285

8.4. Количественный учет факторов опасности возникновения взрывов

пыли 289

Глава 9. Токсическое поражение химическими продуктами 291

9.1. Метилизоцианат 291

9.2. Хлор 295

9.3. Аммиак 324

9.4. Фосген 333

9.5. Синильная кислота 334

9.6. Диоксин 335

9.7. Взрывы и пожары — источники образования и распространения ток-

сичных веществ 338

Глава 10. Оценка и обеспечение взрывобеэопасности промышленных

объектов 341

10.1. Общая схема возникновения и развития аварий 341

10.2. Общие подходы к оценке и предупреждению взрывных явлений в

технологических системах 344

10.3. Анализ опасностей технологической линии производства фенола и

ацетона 355

10.4. Анализ опасностей технологической линии ароматизации бензина 359

10.5. Секционирование технологических линий 376

Глава 11. Основная стратегия снижения опасности аварий 404

11.1. Промежуточное хранение потенциально опасных продуктов 405

11.2. Энергоносители технологических систем 406

11.3. Размещение производственных объектов 408

11.4. Надежность оборудования 409

11.5. Системы управления и защиты 410

11.6. Подготовка персонала 417

11.7. Экономические аспекты снижения опасности 418

11.8. Научные основы обеспечения безопасности 421

Использованная литература 426

ВВЕДЕНИЕ

Тема трагических событий и катастроф в сфере матери-

ального производства всегда оставалась закрытой для широ-

кой общественности. Информация о крупномасштабных взры-

вах и пожарах, валовых выбросах токсичных продуктов была

весьма приблизительной полуправдой, а о гибели людей и дру-

гих тяжелых последствиях знали лишь должностные лица, не

заинтересованные, как правило, в широкой гласности. Оказа-

лась неполной и информация о катастрофах века за рубе-

жом— в Фликсборо, Сан-Хуан-Иксуатепеке, в Бхопале и мно-

гих других, при которых погибли тысячи работающих и насе-

ление расположенных вблизи промышленных объектов жилых

кварталов. Специалисты промышленности и общественность не

задумывались всерьез о необходимости принципиальных перс-

мен в подходах к оценке и обеспечению промышленной без-

опасности. Потребовались трагические события на Чернобыль-

ской АЭС, магистральном трубопроводе сжиженного нефтяно-

го газа под Уфой, хранилище жидкого аммиака в Ионаве, неф-

теперерабатывающей установке Ярославля, чтобы начать осо-

знавать необходимость переоценки уровня объективной техни-

ческой безопасности применяемых технологий, оборудования,

систем управления и защиты от промышленных аварий и ка-

тастроф.

Предотвращение аварий и катастроф затрудняется отсутст-

вием профессионалов, занимающихся этой проблемой, низким

уровнем знаний общеинженерных дисциплин руководящими

работниками и специалистами промышленности, быстрой их

сменяемостью. Инженеры, участвующие в расследованиях и

хорошо представляющие себе основные источники возникнове-

ния аварий, вскоре уходят из этой сферы или вообще переста-

ют заниматься активной производственной деятельностью,

и память о прошлых событиях постепенно ослабляется. Новый

руководящий состав и инженерный корпус повторяют ошибки

предшественников, которые в той или иной форме вновь и

вновь приводят к подобным или более трагическим происше-

ствиям.

Снятие в последние годы ограничений по освещению ава-

рий и катастроф позволило средствам массовой информации

привлечь внимание общественности к проблеме промышлен-

ной безопасности. Однако из-за низкого уровня профессио

нальных знаний авторов публикации о промышленных авари-

ях и катастрофах, сопровождающиеся в большинстве случае!

возбуждающими общественность эмоциями, не способствуе"

поиску новых решений обеспечения технической безопасност!

со стороны проектировщиков, эксплуатационников и руково

дителей. А

Вследствие исторически сложившегося искусственного М

рыва проблемы безопасности от собственно технологий и Я

ники производств своевременно не создавалась необходимая

фундаментальная научно-техническая база для решения этой

проблемы; появились разрозненные, часто поверхностные, по-

рой даже конъюнктурные направления в научных разработ-

ках. Застойные явления и глубокое отставание в нормативно-

технической документации от возросшего уровня опасностей

современных производств позволяли руководителям и специа-

листам «освобождаться» от творческой деятельности по обес-

печению приемлемого уровня безопасности создаваемых про-

мышленных объектов.

При разработке технологий и создании производств игнори-

ровались и не получали необходимого прикладного развития

закономерности физико-химических процессов, количественных

и качественных зависимостей превращения материальных

сред, различных видов перехода и высвобождения энергии,

другие объективные законы. Не разрабатывались необходимые

меры и средства по предупреждению весьма серьезных опас-

ностей при эксплуатации производств. В результате в про-

мышленности имеется большое число технологических процес-

сов с недостаточно изученными физико-химическими, взрывча-

тыми и токсическими свойствами сырьевых материалов, про-

межуточных, побочных и конечных продуктов, особенно за

пределами регламентированных и критических значений па-

раметров.

За последние годы на производственных площадях химиче-

ских и нефтеперерабатывающих предприятий, например, не-

обоснованно сосредоточены огромные массы взрывоопасных и

токсичных продуктов, значительно возросло число потенциаль-

но опасных объектов, аварии на которых начали иметь все бо-

лее угрожающий характер, уничтожающе воздействуя на окру-

жающую среду и людей.

В химической индустрии мира за истекшие 10 лет в сред-

нем за каждые два месяца происходит одна катастрофа. За

период 1984 г.— первое полугодие 1985 г. зарегистрировано

90 крупных аварий, при которых погибли около 5 тыс. человек.

Более половины промышленных катастроф 1900—1990 гг.

приходится на 1970—1990 гг., причем треть из них —на 80-е

годы; одновременно возрос их разрушительный эффект.

На химико-технологических объектах нашей страны за

1970—1990 гг. произошло примерно 180 крупных промышлен-

ных взрывов с тяжелыми последствиями; отмечается неуклон-

ное увеличение их числа за последние годы. При этом локаль-

ные взрывы и пожары, ежегодное число которых исчисляется

тысячами, при неблагоприятном стечении обстоятельств могут

вызывать цепное развитие аварий до катастрофических мас-

штабов.

Около 70% наиболее тяжелых аварий произошли на со-

временных крупнотоннажных технологических агрегатах и

производственных комплексах, проработавших от двух до шес-

ги лет после ввода, когда стоимость их основных фондов оста-

валась еще высокой. Средний ущерб от каждой аварии или

серьезной производственной неполадки составляет около

300 тыс. руб.; в целом же потери от них ежегодно исчисляются

миллиардами рублей. Реальный экономический ущерб от ава-

рий, возникающий вследствие прекращения, ограничения или

несвоевременной поставки потребителям химической продукции,

возрастает в 200 раз и бЬлее.

Всегда существовавшие противоречия в тенденциях уде-

шевления стоимости производимой продукции и ограничения

затрат на обеспечение необходимой безопасности производств

оказались глубоко ошибочными, но продолжают неуклонно

толкать общество к опасному пути самоуничтожения.

В этих условиях результаты исследований многочисленных

событий в зарубежной и отечественной промышленности слу-

жат бесценным источником повышения теоретических знаний

специалистов и накопления опыта для решения практических

задач по созданию безопасных технологий, обеспечению за-

щиты трудящихся и населения от промышленных аварий и ка-

тастроф.

Систематизация крупномасштабных аварий по источникам

энергии и условиям аварийного высвобождения представля-

ется наиболее удобной для понимания проблемы и разработки

практических мер предупреждения случайных промышленных

взрывов и ограничения их поражающей способности. Подроб-

ный анализ возникновения и развития событий позволяет вы-

делить систему общих и частных факторов опасностей, кото-

рые следует учитывать при проектировании новых производств,

усовершенствовании действующих и разработке нормативно-

технической документации.

Представленные в этой книге результаты исследований ава-

рий и катастроф служат неопровержимым доказательством

объективности требований «Общих правил взрывобезопасности

для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и неф-

теперерабатывающих производств», утвержденных в 1989 г

Госгортехнадзором СССР. Честный инженерный анализ ре-

альных событий поможет специалистам избежать ошибочны)

действий лишь надежде на счастливый исход. Истинная без

опасность не может основываться на «теориях риска» — проб!

на удачу, она должна быть обеспечена творческими усилиям!

высококвалифицированных специалистов, создающих безопас

ные производственные процессы.

Глава 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗРЫВНЫХ ЯВЛЕНИЙ

В многочисленной справочной литературе взрывные явле-

ния определяются по-разному, однако общим во всех опреде-

лениях является то, что взрыв — это происходящее внезапно

(«стремительно», «мгновенно», «в виде всплеска») «событие»,

при котором высвобождается внутренняя энергия и формиру-

ется избыточное давление. Такой процесс сопровождается

сильным звуковым эффектом («громким звуком», «шумом»,

«грохотом», «сильным хлопком» и т. п.).

Специалистами в этой области даны также различные оп-

ределения взрыва в зависимости от источника энергии взры-

ва, природы взрывающихся веществ и т. д. Например, «очень

быстрое образование больших объемов газа из очень малых

количеств твердых веществ, жидкости, как правило, сопровож-

дающееся громким шумом или звуком», наиболее близко оп-

ределяет происходящее при детонации конденсированного

взрывчатого вещества. К этому же классу взрывов подходит

определение «быстрое, самопроизвольно распространяющееся

химическое разложение, сопровождающееся выделением боль-

шого количества тепла и газа». Определение «взрыв — силь-

ный и шумный хлопок» свидетельствует лишь с внешнем про-

явлении звукового эффекта, нагнетания и сброса давления. Со

взрывом часто ассоциируются внешние его проявления без по-

нимания физической и химической сущности явления.

В человеческой деятельности, не связанной с преднамерен-

ными взрывами, в условиях промышленного производства под

взрывом следует понимать быстрое неуправляемое высвобож-

дение энергии, которое вызывает ударную волну, движущуюся

на некотором расстоянии от источника. Взрыв может быть вы-

зван детонацией конденсированного взрывчатого вещества, бы-

стрым сгоранием воспламеняющегося облака газа, внезапным

разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жид-

костью, смешиванием перегретых твердых веществ (расплава)

с холодными жидкостями и т. д.

Взрыв несет потенциальную опасность поражения людей и

обладает разрушительной способностью. В зависимости от ви-

да энергоносителя и условий энерговыделения источниками

энергии при взрыве могут быть как химические, так и физиче-

ские процессы.

1.1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВОВ

Источником химического взрыва являются быстропротека-

ющие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодей-

ствия горючих веществ, с окислителями или термического раз-

ложения нестабильных соединений.

Источники энергии сжатых газов (паров) в замкнутых объ-

емах аппаратуры могут быть как внешними, так и внутрен-

ними. Внешние — это электрическая энергия, используемая для

сжатия газов и нагнетания жидкостей, теплоносители, в том

числе электрические, обеспечивающие нагрев жидкостей и га-

зов в замкнутых объемах аппаратуры. К внутренним источни-

кам относятся энергия экзотермических физико-химических и

тепломассообменных процессов в замкнутом объеме аппарату-

ры, приводящих к интенсивному испарению жидких сред или

газообразованию, росту температуры и давления без внутрен-

них взрывных явлений.

Энергоносители химических взрывов могут быть твердыми,

жидкими, газообразными веществами, а также аэровзвесями

горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде

(часто в воздухе). Твердые и жидкие энергоносители относят-

ся в большинстве случаев к классу конденсированных взрыв-

чатых веществ (ВВ). В состав этих веществ или их смесей

входят восстановители и окислители или другие химически не-

стабильные соединения. При инициировании взрыва в этих ве-

ществах с огромной скоростью протекают экзотермические

окислительно-восстановительные реакции или реакции терми-

ческого разложения с выделением тепловой энергии.

Газообразные энергоносители представляют собой гомоген-

ные смеси горючих газов (паров) с газообразными окислите-

лями— воздухом, кислородом, хлором и др., либо нестабиль-

ные газообразные соединения, такие, как ацетилен, этилен,

склонные к термическому разложению в отсутствие окислите-

лей. Источником энергии взрывов газовых смесей являются

экзотермические реакции окисления горючего вещества или ре-

акции разложения нестабильных соединений.

Двухфазные взрывоопасные аэровзвеси состоят из мелко-

дисперсных горючих жидкостей («туманов») или твердых ве-

ществ (пыли) в окислительной среде, в основном в воздухе.

Источником энергии их взрывов также является тепло сгора-

ния этих веществ.

Технологическая система взрывоопасна, если она обладает

запасом потенциальной энергии, высвобождающейся с на

столько большой скоростью, что может генерировать воздуш

ную ударную волну, способную вызвать разрушения или пора

жение людей. Количество такой потенциальной энергии дл5

различных энергоносителей определяется соответствующим!

физико-химическими закономерностями энерговысвобождения.

Энергию взрыва парогазовых сред определяют по теплота!

сгорания горючих веществ в смеси с воздухом (окислителем)

конденсированных ВВ — по теплоте, выделяющейся при их де

тонации (реакции разложения); при физических взрывах с»

стем со сжатыми газами и перегретыми жидкостями — п

энергиям адиабатического расширения парогазовых сред и п<

регрева жидкости.

1П