Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 3.4. Масса осколков взорвавшегося газгольдера

сжатого воздуха и расстояние их разлета

Расстояние, м/масса, т

1 2

5 6 7

660

560 380 280

70 225 235

225 60

4,09 6,77 9,14

11,77 0,12

4,01

2,76 0,05

4,66 0,4

12 13

280

190

215 720 175

910

280

450

1460

230

0,4

— — — 0,377 — —

1,13

0,94 0,02

Эти расчетные расстояния по пяти зонам уровней разрушений

(#1—#5, м) сопоставлены с наблюдаемыми разрушениями:

«2 «3 «4 Яъ

/?„, м 20 30 20—80 100—230 до 1500

#Р, м:

Г=970- 0,6=582 кг 32 36 80 234 468

Г=500-0,6=300 кг 25 35 64 187 375

Из приведенных данных видно, что реальные уровни раз-

рушений от взрывов сферических резервуаров сжатых газов

точнее выражают результаты расчетов по формуле (3.1) в об-

ласти низких давлений и по (3.2)—в зонах высоких давлений

и тяжелых разрушений.

Несмотря на то, что при взрывах сжатых газов энергия

взрыва в значительной мере расходуется на образование и раз-

лет осколков (которые вызывают локальные, но тяжелые по-

вреждения зданий и сооружений и представляют большую опас-

ность для персонала), образующиеся ударные волны имеют

высокие значения амплитуды импульса.

При высоких исходных давлениях сжатого газа' воздействие

ударных волн характеризуется импульсным режимом нагруже-

ния объектов, дробящим (бризантным) характером разруше-

ний, что свойственно взрывам конденсированных ВВ. При этом

чем выше начальное давление, тем больше взрывы систем со

сжатым газом по характеристикам ударных волн приближают-

ся к взрывам конденсированных ВВ.

3.2.2. Разрушение сосудов со сжатыми

горючими газами (парами)

Высвобождение энергии сжатых горючих газов (паров) мо- .

жет сопровождаться образованием парового облака и последу-

ющим его взрывом. При мгновенном (практически одновремен-

ном) воспламенении выбрасываемых газов (паров) при разру-

шении сосудов масштабы рЗЗруШСНИЯ МОЖНО Пр0Г1"С311р03аТЬ

по сумме энерговыделения расширяющихся газов к сгорания

их в атмосфере по рассмотренным выше закономерностям.

В реальных условиях возможна и другая модель развития ава-

рии, когда после разрушения сосуда от превышения давления

происходит некоторая задержка формирования и воспламене-

ния парового облака. Масштабы и характер разрушений в этом

случае можно оценивать раздельно: от расширяющегося газа

при разрыве сосуда и от взрыва парового облака.

В качестве примера такой модели развития аварии рассмот-

рим взрыв, который произошел в феврале 1990 г. на Новокуй-

бышевском НПЗ. Вначале разрушилась горизонтальная ци-

линдрическая емкость (диаметр — 3 м, длина — 7,656 м) от

внешнего источника, вызвавшего превышение давления паров

пропан-бутановой фракции до 0,9 МПа [(рабочее давление

0,52 МПа). Емкость была разрушена на три фрагмента: одно

днище было отброшено на расстояние 100 м, второе, жестко

удерживаемое системой трубопроводов, смещено в противопо-

ложную сторону на 3,5 м, обечайка с оторванными днищами и

разорванная вдоль образующей была развернута в плоский

лист и отброшена на 12 м от места установки емкости. Разру-

шение емкости произошло по сплошному металлу обечайки.

Емкость была соединена трубопроводами с коллектором фа-

кельной системы и установкой термического крекинга (источ-

ником высокого давления — 1,024 МПа) и выполняла функции

сепаратора парогазовой среды от жидкости (пропан-бутановой

фракции).

Вследствие замерзания воды в факельном коллекторе и дру-

гих неблагоприятных обстоятельств в сепарационную емкость

стали поступать газы технологической установки (источника

высокого давления). При ограниченном выходе газов (паров)

на факел давление в сепарационной емкости возросло до зна-

чения, существенно превышающего прочностные характеристики

сосуда.

При оценке состояния металла разрушенной емкости выяв-

лены раковины, расслоения металла, трещины, обусловленные

как металлургическими дефектами, так и развитием коррозии

под влиянием кислотной среды (образцы для исследования

металла были вырезаны как из днищ, так и из обечайки)

С учетом этих дефектов разрушение емкости могло наступить

при давлении 0,92 МПа, что несколько ниже давления в един

ственном в технологической системе источнике давлени)

(1,05 МПа).

По сообщению очевидцев авария произошла от разрушени

сосуда при превышении давления

в сепараторе, содержаще!

«50 м

паров пропан-бутановой фракции. В результате обрг

зовалось газовое (паровое) облако в атмосфере, которое рас

пространилось над территорией по направлению ветра в сторс

ну, показанную на рис. 3.9. При достижении облаком пече

пиролиза произошел взрыв с возникновением пожара на технс

логической установке.

облака после взрыва сепаратора

Время с момента разрушения емкости до взрыва парогазо-

вого облака составило несколько минут, что создавало возмож-

ность удаления из загазованной зоны значительной части пер-

сонала, находящегося вблизи разрушенной емкости и в поме-

щении пульта управления. Пожар, возникший на установке,

был ликвидирован спецподразделениями через 2 ч с момента

разрушения сосуда. При взрыве парового облака и пожаре по-

лучили термические ожоги 6 человек из производственного

персонала. Местонахождение пострадавших показано на рис.

3.9; все пострадавшие находились за пределами области высо-

кого давления взрыва парового облака.

При сложившихся условиях на первой стадии произошло

высвобожденине энергии сжатого газа с образованием парового

облака. На второй стадии произошел взрыв облака паров в

атмосфере и, возможно, части диспергированной пропан-бута-

новой жидкой фракции. Для оценки уровней разрушений выде-

лены пять зон (см. рис. 3.9) различной интенсивности пора-

жения:

/?1

= 8 м — зона тяжелых разрушений зданий и сооруже-

ний и смертельной опасности для людей (/( = 3,8; ДР« 100 кПа);

2) 8<]?

<12 м — зона существенных разрушений строи-

тельных конструкций, обрушения кирпичных стен, смертельной

опасности для людей (/(=5,4; ДР«70 кПа);

3) 12<Я

<20 м — зона разрушений зданий и сооружений,

для восстановления которых п^требовалась их частичная раз-

борка; возможно смертельное травмирование людей на откры-

той местности (/( = 9,6; Д/> = 20 кПа);

4) 20<#4<60 м —зона разрушений оконных проемов, лег-

Косбрасываемых покрытий; возможны тяжелые травмы на от-

крытой местности (/( = 28; ДР=>12 кПа);

5) 60</?Б<120 М — зона частичного разрушения остекле-

ния, безопасная для людей на открытой местности (К^56;

ДР = 4—6 кПа).

Такой уровень разрушения соответствует взрыву, эквива-

лентному 147 кг ТНТ.

В период, предшествующий взрыву, общее количество жид

кой фазы (бутан-бутиленовой фракции со средней температу

рой кипения —4°С) в системе составило 11,2 м

[5,2 м

в сосу

де и 6 м

в трубопроводе от сосуда до факельного коллектор;

(1 = 200 м,

е?

= 200 мм)], парогазовой среды —47,8 м

[44,8 м

в сосуде и 2,8 м

в трубопроводе от предохранительных клапа

нов (/, = 40 м,

с?

= 300 мм)]. Температура жидкой фазы в сбор

нике и трубопроводе перед аварией была близка к температур

окружающей среды, которая на день аварии составляла —4°(

При этом давление поступающих в сборник паров (газов) ь

соответствовало равновесной температуре насыщения, и пар*

вое облако могло сформироваться в основном из пропана и ч

сти бутана, находящихся в сосуде в паровой фазе, так к;

мгновенного испарения жидкости не происходило из-за отсу

ствия ее перегрева. Несущественным могло быть и парообразо-

вание за счет внешнего теплопритока к пролитой жидкости

вследствие низкой температуры окружающей среды и малого

промежутка времени с момента разрушения сосуда и разлива

жидкости до взрыва.

В этих условиях основная масса парового облака после раз-

рушения сосуда могла составлять «1000 кг, а определяемая

по уровням наблюдаемых разрушений доля его участия во

взрыве не превышала 4% при эквиваленте 174 кг ТНТ, что со-

ответствует взрывам паровых облаков углеводородов С

—С4 в

зимних условиях.

Энергия адиабатического расширения паров при разрушении

сосуда не превышала 8,67-10

кДж, что эквивалентно 192 кг

ТНТ; однако это не соответствует уровням наблюдаемых раз-

рушений. В данном случае основным разрушающим фактором

оказалась энергия взрыва парового облака. Однако высвобож-

дение энергии сжатого газа при высоких давлениях вызывает

тяжелые разрушения в локальных зонах, которые могут быть

источником цепного развития аварии.

В данном случае не произошло наложения энергий и они

высвободились раздельно, вызывая соответствующие неадек-

ватные разрушения. На практике не всегда возможна раздель-

ная оценка уровней разрушения от различных источников энер-

гии, поэтому часто приходится прибегать к условному сумми-

рованию энергии различных источников для оценки общей кар-

тины разрушений.

В описанных условиях объекты в зонах, близких к месту

расположения сепараторной емкости, подверглись тяжелым

разрушениям под воздействием высокого давления (0,9 МПа)

сжатого газа; в более удаленных зонах характер разрушения

объектов аналогичен разрушениям от воздействия ударных

волн, образующихся при дефлеграционном горении парогазовых

сред. Следует обратить внимание также на то, что сравнитель-

но небольшие массы образовавшегося парового облака и доля

участия его во взрыве обусловлены низкой температурой окру-

жающей среды. В летних условиях (например, при температуре

окружающей среды «30 °С) при подобном разрушении сосуда

масса парового облака могла составлять ж7,5 м углеводоро-

дов, и при мгновеннном его воспламенении масштабы разруше-

ний могли быть значительно большими.

Несмотря на несовмещение по времени энерговыделения

сжатого газа и взрыва парового облака, последствия аварии,

развивающейся по такой модели, могут быть весьма тяжелыми.

В зонах действия высоких давлений от высвобождения энергии

сжатых газов характер разрушения подобен бризантному дей-

ствию взрыва конденсированных ВВ. Вместе с тем при после-

дующем взрыве парового облака площади тяжелых и средних

уровней разрушений могут значительно превышать области по-

ражения, которые были бы при взрыве эквивалентного количе-

ства только конденсированного ВВ. Поэтому такие аварии сле-

дует относить к категории особо опасных,

3.2.3. Взрывы сжатых негорючих газов

в результате химических реакций

Взрывные явления, происходящие при высвобождении энер-

гии сжатых газов, могут, протекать и в тех случаях, когда пре-

вышение давления в технологических системах происходит в

результате химических реакций как в жидкой, так и в твердой

фазе, При этом газовыделение может происходить с высокими

скоростями, при которых резко повышается давление в системе,

что приводит к разрушению оболочек. Когда энерговыделение

В результате химической реакции не имеет взрывного характе-

ра, а объем газовой фазы велик (по сравнению с объемом жид-

кой фазы), масштабы разрушения могут быть существенными.

Оценка характера и тяжести последствий взрывных явлений

может производиться по приведенным выше методам.

В качестве Примера рассмотрим аварию, произошедшую в

1988 Г- и связанную с надземным взрывом, вызванным интен-

сивным газовыделением негорючего газа при разложении нит-

ромассЫ в реакторе. Реакционный аппарат представлял собой

вертикальный цилиндрический эмалированный сосуд с мешал-

кой Общим объемом 8,8 м

и предназначался для нитрования

смесью НШ

(14%) и Н

§0

(86%) 1,<5-дифеноксиантрахйнона

(ДФОА) до геКсаниТродифеноксианТрахинона, Нитратор раз-

мещался в здании на четвертом (19,2 м) и третьем (13,2 м)

Этажах в огражденной Кирпичными стенами кабине площадью

6x6 м

;

Нитрование НройоДйЛй в следующей последовательности.

При Охлаждении рассолом через рубашку сливали нитрующую

€месь В количестве 4408 л а затем при включенной мешалке в

течений 15 Ч е помощьь дозатора загружали 973 кг ДФОА; при

Этом температура не должна превышать 35 По окончании

зйгрузК'и реакционную массу подогревали горячей водой с тем-

НературОЙ 50 °С В течение 2 ч до 40±'5°С и затем яри этой же

Темйературё й при перемешивании выдерживали в течение 4,5 ч

Затем массу охлаждали рассолом до 30±2°С, разбавляли сер'

Ной КиСлоТой й сливали на последующую операцию выделения

Система была Оснащена автоматическими блокирующим!

устройствами, прекращающими загрузку углеводорода в нитра

тор яри повышении температуры реакционной массы до 35 °С

уменьшении расхода рассола (воды), подаваемого на охлаж

Дение, до 0,1 м

/ч, остановке мешалки и снижении давлени

воздуха в сети КЙПиА. Система подавления экзотермическо

реакции включала подачу серной кислоты на разбавление пр

Достижении температуры реакционной массы 60 "С.

В период, предшествовавший взрыву, процесс нитровани

проводился с перерывами и был растянут по времени из-за не-

исправности загрузочного устройства ДФОА, снижения давле-

ния воздуха в системе КИПиА, попадания серной кислоты в

систему водооборота охлаждающей воды вследствие нарушения

герметичности теплообменника и аварийного отключения сис-

темы улавливания оксидов азота.

19 октября в смену с 15 до 23 ч в реактор было принято

4626 л нитромассы, в следующую смену — до 7 ч 20 октября —

было добавлено еще 1054 л, т. е. общий объем нитромассы в

реакторе был доведен до 5740 л. Загрузка ДФОА начата 10 ок-

тября— с 17 ч до 17 ч 40 мин было загружено 25 кг при тем-

пературе реакционной массы 15 "С. Затем загрузка ДФОА была

прекращена и в течение 9 ч 30 мин реакционную массу при

16 "С выдерживали в реакторе при перемешивании. В 2 ч 30 мин

21 октября загрузку ДФОА возобновили и производили до 7 ч

42 мин 22 октября; за это время, т. е. за 29. ч, догрузили 680 кг

ДФОА. Всего же в течение 38 ч было загружено 705 кг ДФОА;

свободный (газовый) объем при этом составил «3 м

Из-за прекращения подачи охлаждающей воды и затрудне-

ний, связанных с переходом на рассол, в течение 18 ч возрас-

тала температура реакционной массы при ее непрерывном пе-

ремешивании. За первые 10 ч она повысилась с 28 до 40 °С,

а в течение последующих 8 ч — до 41 °С. Подъем температуры

свидетельствовал о протекании экзотермической реакции де-

струкции в реакционной массе. За несколько секунд до взрыва

наблюдалось интенсивное выделение оксидов азота в помеще-

ние и повышенная вибрация реактора. Вследствие повышения

давления газов оторвалась крышка люка на аппарате.

При осмотре и с помощью соответствующих расчетов было

установлено, что оболочка аппарата не имела видимых повреж-

дений, ослабляющих ее прочность, и могла выдерживать внут-

реннее давление до 5,0 МПа. Более ослабленным элементом

аппарата оказалась крышка люка диаметром 0,4 м, при срыве

которой произошел сброс давления газа из реактора вверх,

вызвавший образование воздушной ударной волны и разброс

нитромассы в помещение. В результате были разрушены пере-

городки кабины и отдельные элементы самого здания на чет-

вертом этаже и более верхних отметках (рис. 3.10).

Сорвавшаяся крышка нитратора с редуктором, электродви-

гателем и мешалкой взлетела вверх, разрушила балку перекры-

тия (перебила), пробила плиты покрытия, вылетела за пределы

здания и упала на расстоянии около 30 м от места установки

реактора, что повлекло за собой обрушение кровли и других

строительных конструкций. Корпус реактора пробил межэтаж-

ные перекрытия третьего (13,2 м) и второго (7,2 м) этажей,

упал на первый этаж и был завален обрушившимися плитами

и кирпичом. В торце здания на расстоянии 15—20 м от места

установки реактора были найдены элементы крепления редук-

тора и элементы привода мешалки.

7-1006

Рис. 3.10. План-схема разрушений четвертого этажа здания в результате взры-

ва нитратора:

/ — первоначальное место расположения взорвавшегося нитратора; 2 — загрузочный бун-

кер с течкой; 3—6— вспомогательная технологическая аппаратура; 7— лестничная клет-

ка; « — производственный корпус; • —фрагменты разрушенного аппарата

Данные условия разрушения системы высокого давления

соответствуют модели разрушения сосуда, форма которого

близка к сферической, на два неравных фрагмента. Сжатый газ

над несжимаемой жидкостью (нитромассой) можно рассматри-

вать как взрывающуюся сферу объемом 3 м

при давлении

разрушения 5,0 МПа. При вертикальной направленности взры-

ва энергия сжатого газа переходила в энергию движения фраг-

ментов (корпуса реактора и его элементов) и ударной воздуш-

ной волны. Оценку разрушающей способности взрыва реактора

проводили по уровню высвобождающейся энергии сжатых га-

зов (преимущественно оксидов азота). Жидкая фаза (нитро-

масса) не была перегрета, а температура ее перед взрывом

существенно не повышалась, что исключало возможность мгно-

венного парообразования при отрыве крышки люка реактора.

Не отмечено также взрывных химических превращений, кото-

рые вызвали бы взрыв бризантного действия.

Разрушение ректора и взрыв были вызваны интенсивным

газовыделением из нитромассы и превышением давления в ап-

парате. При такой модели возникновения и развития аварии

взрыв количественно оценивается энергией сжатого газа, рав-

ной 50 МДж [по формуле (3.1)] и 30 МДж [по формуле (3.2)]

и эквивалентной 11—7 кг ТНТ. При переходе общей энергии

взрыва в энергию движения фрагментов реактора (0,4) и воз-

душной ударной волны (0,6) определены эквиваленты ТНТ,

вызывающие соответствующий характер разрушения.

Следует отметить, что, несмотря на сравнительно небольшую

энергию взрыва, разрушения оказались ощутимыми и опасными

вследствие высокой плотности энерговыделения, обусловливаю-

щей локальные тяжелые повреждения конструктивных элемен-

тов зданий. Подобные взрывные явления опасны для жизни

людей (обслуживающего персонала) вследствие возможного

поражения осколками разрушающихся оболочек и вторичных

поражающих факторов при обрушениях зданий и других строи-

тельных конструкций.

В условиях данной аварии при незначительном общем энер-

гетическом потенциале от действия возможной ударной волны

сжатия ощутимые разрушения произошли на четвертом этаже

и частично повреждены перекрытия здания. Тяжелые разруше-

ния в перекрытиях второго и третьего этажей были вызваны

перемещением реактора при взрыве. При расположении реак-

тора на нижних этажах были бы возможны разрушения несу-

щих конструкций и обрушения значительной части здания.

По модели высвобождения энергии сжатого газа можно оце-

нивать взрывные процессы химического разложения твердых

нестабильных соединений со значительно меньшей объемной

плотностью энерговыделения, чем плотность энергии, характер-

ной для типичных конденсированных ВВ. Например, описанный

в гл. 2 взрыв 2 кг диазосоединений может характеризоваться

энергией 0,25 м

сжатого до 0,7 МПа газа при открытом люке,

через который был возможен сброс газообразных продуктов

разложения. При этом следует отметить две граничные скоро-

сти реакции разложения диазосоединения (и соответственно

скорости газовыделения и нарастания давления в аппарате).

Первая скорость несколько превышала скорость нарастания

давления при взрывах газовых сред в закрытых сосудах; в про-

тивном случае газообразные продукты разложения диазосоеди-

нения могли быть эвакуированы через люк диаметром 0,4 м

(который на момент взрыва был открыт), и отрыва крышки

аппарата в этом случае не произошло бы. Вторая граничная

скорость взрывного разложения (газовыделения) диазосоеди-

нения значительно меньше скорости энерговыделения типичных

7»

конденсированных ВВ, так как в наблюдаемых разрушениях

не отмечено характерного бризантного действия взрыва; про-

изошел отрыв крышки, на которой обнаружена одна пробоина

от удара торцевой частью вала мешалки.

Энергия взрыва, рассчитанная по формулам (3.1) и (3.2)

для сжатого до 0,7 МПа газа в объеме 0,25 м

, была эквива-

лентна 0,1—0,05 кг ТНТ. Такому эквиваленту взрыва примерно

соответствует и уровень разрушения, характеризующийся лишь

отрывом крышки аппарата, которая была поднята вверх на 3 м

и, ударившись о перекрытие третьего этажа, обратной стороной

упала на аппарат, получив лишь незначительную деформацию

от ударов.

Приведенный анализ дает основание подобные взрывные

явления оценивать энергией сжатого газа, а параметры удар-

ных волн — по начальному давлению, соответствующему пре-

делу прочности оболочки технологический системы.

Диазосоединения и некоторые другие соединения азота

(например, трихлорид азота) следует относить не к классу

типичных ВВ, а к группе порохов. Соответственно должны раз-

рабатываться меры, исключающие накопление этих нестабиль

ных соединений в подсушенном виде в технологической аппа-

ратуре, а при отсутствии такой возможности — специальные

нетрадиционные способы технологической защиты, отличные

от сброса давления при газовых взрывах.

Глава 4

ВЗРЫВООПАСНЫЕ ПАРОГАЗОВЫЕ СМЕСИ

4.1. ВЗРЫВНОЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ

В парогазовой среде взрывоопасными могут быть как ин-

дивидуальные нестабильные соединения, так и смеси горючих

веществ с окислителями. Склонность к взрывному термическо-

му разложению индивидуальных веществ и взаимодействию

веществ в смесях определяется химическим строением вещест-

ва и количеством тепла, выделяемого при химической реакции.

Типичными нестабильными индивидуальными соединениями,

способными взрываться без участия окислителей в условиях

технологических процессов, можно считать некоторые непре-

дельные углеводороды алифатического ряда, например ацети-

лен. При его взрывном разложении в отсутствие кислорода или

других окислителей выделяется 8,7 МДж/кг энергии, которой

достаточно, чтобы разогреть продукты реакции до 2800 °С.

Взрывной распад ацетилена под давлением 400 кПа в присут-

ствии катализирующих веществ, например оксидов железа,

возможен при 280 "С. При большой энергии импульса (1200 Дж)

100