Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

жиме. Минимальная энергия зажигания определяет чувстви-

тельность вещества к источникам инициирования и характери-

зует вероятность воспламенения горючей смеси. Стандартизо-

ванные значения минимальной энергии зажигания характеризу-

ют уровень стабильности горючих веществ и зависят главным

образом от их химического строения.

Минимальную энергию зажигания конкретных смесей следу-

ет сопоставлять с мощностью имеющихся источников энергии

(электрических, механических, тепловых и др.) и принимать

меры по устранению этих*источников или снижению ими энер-

говыделения до значений, меньших минимальной энергии за-

жигания смеси данного состава.

При оценке чувствительности веществ к источникам иниции-

рования взрыва следует учитывать и конкретные производст-

венные условия, при которых реальная энергия инициирования

взрыва одного и того же вещества может существенно отли-

чаться от стандартизованной. Так, для близких по химическо-

му строению веществ чувствительность их к источникам зажи-

гания существенно возрастает с повышением плотности энерго-

выделения смеси. Приведенные в справочной литературе

показатели, характеризующие чувствительность веществ к ис-

точникам инициирования взрыва, не следует принимать за аб-

солютную истину для всех случаев. Необходимо определять эти

показатели с учетом реальных технологических процессов и

моделей возникновения аварийных ситуаций и развития аварий.

4.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗРЫВОВ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Для сопоставимых условий, так же как и в случае конден-

сированных ВВ, взрывы парогазовых сред и аэровзвесей могут

моделироваться по принципу кубического корня. В результате

опытных взрывов в резервуарах больших объемов показано,

что максимальное давление взрыва увеличивается до опреде-

ленного предела и далее остается постоянным (рис. 4.1). На-

пример, при изменении объема взрывной камеры от 1 до 20 м

давление взрыва пропановоздушной смеси остается постоянным

примерно на уровне 700 кПа, однако динамика нарастания

взрывного давления в сосудах разного объема существенно

различна: увеличение объема приводит к снижению йР/йт по

кубическому закону. Отметим, что эти и другие закономерно-

сти, вытекающие из основного принципа Хопкинсона, могут

быть применимы при точном геометрическом подобии взрываю-

щихся сред.

Для прогнозирования и оценки взрывов парогазовых сред

прежде всего необходимы статистические исследования про-

мышленных аварий, условий их возникновения и развития с

учетом физико-химических свойств веществ.

Наиболее доступным методом моделирования взрывов па-

рогазовых сред является сопоставление их с эквивалентными

111

ТНТ (1) и парогазовой смеси (2) от приведенного расстояния

взрывами ТНТ. При этом допускается, что в областях высоких

давлений взрыва ТНТ в несколько десятков ГПа (зона бри-

зантного дробящего действия, соответствующая площади Е

на

рис. 4.2) происходят разрушения, подобные разрушениям, вы-

зываемым газовыми взрывами в интервале давлений 100—

30 кПа. На некотором удалении от источника взрыва давления

в ударных волнах ТНТ и газового взрыва будут равны (точка

пересечения кривых 1 и 2 на рис. 4.2). При энергетической

эквивалентности взрывов и условии, что ударная волна в об-

лаке газовой смеси усиливается за счет сгорания свежей смеси,

за зоной равенства давлений должна следовать з^ча, в которой

давление от газового взрыва будет превышать давление взры-

ва ТНТ.

При энергетическом балансе ударных волн в графическом

изображении (см. рис. 4.2) должно обеспечиваться равенство

площадей Еь=Е

. При этом зависимость избыточного давления

взрыва от приведенного расстояния является свидетельством

существования интегральной характеристики уровней разруше-

ния во всей области действия взрыва парового облака, равной

по значению интегральной характеристике разрушений, произ-

водимых эквивалентным количеством ТНТ, называемым троти-

ловым эквивалентом парового облака. Изменением расстояния

между центрами взрывов ТНТ и газового облака, или условно

принимая Еб—Ег, можно исключить из сравнения область

бризантного действия взрыва ТНТ. Для более строго модели-

рования этим методом в случае взрыва парового объема воз-

можно перераспределение части энергии ударной волны из зо-

ны бризантного действия взрыва (ДР>100 кПа) в зону полно-

го разрушения. Часть этой перераспределяемой энергии будет

112

представлять собой разность между энергией, расходуемой на

бризантное (дробящее) разрушение, и энергией, которая потре-

бовалась бы для полного разрушения, характерного для

ДЖ100 кПа в этой же области бризантного действия взрыва

ТНТ. При таком моделировании изменения расположения цент-

ров взрыва ТНТ и газового облака не требуется, а параметры

ударных волн будут точнее отражать реальность взрывных

процессов парогазовых сред. Однако эти методы имеют при-

ближенный характер. Например, одинаковый характер разру-

шений наблюдается при взрыве 14 т ТНТ на расстоянии 60 м,

16 т — на расстоянии 45 м и 18 т — на расстоянии 21 м. Теоре-

тические исследования процессов быстрого горения в облаках

(дефлеграции) и связанных с ним изменения давления со ско-

ростью пламени «150 м/с дают основания считать давление

«30 кПа достаточным для наблюдаемых при промышленных

авариях уровней разрушений. Такие давления могут разви-

ваться при скорости дефлеграционного распространения пла-

мени в газовой среде до 150—200 м/с. Дифференцированные

точные оценки уровней разрушений возможны при строгом

экспериментальном моделировании и воспроизведении промыш-

ленных аварий в реальных условиях. Для этого необходимо

прежде.всего определение избыточных давлений, воздействую-

щих на объекты, и расстояний от них до источников энерговы-

деления.

Для сопоставления разрушающей способности взрывов па-

рогазовых сред может применяться объемный метод оценки.

По этому методу определяют условный объем взрывоопасного

парогазового облака в атмосфере и по характеристикам его

взрывного процесса рассчитывают максимальное (в точке ини-

циирования) и текущие изменения давления на фронте ударной

волны на соответствующем удалении от эпицентра.

Для конкретных вещества и формы облаков и различных

их размеров по принципу Хопкинсона могут быть найдены со-

поставимые характеристики взрывных процессов, которые вы-

ражаются формулой

= Г(3/2)-(0/р), (4.2)

где Кэ — эквивалентный радиус взрывоопасного облака; О — масса горючего

вещества в облаке; р — плотность взрывоопасной смеси стехиометрического

состава.

При заданной или условно усредненной концентрации сме-

си (например, стехиометрической) для данного вещества (при-

веденной массы) эта формула является практическим выраже-

нием закона кубического корня Я = КЕ

или Я =

Для стехиометрического состава смеси (Я—Я

), мощного

центрального инициирования и других возможных в промыш-

ленности условий открытых технологических установок опре-

делены максимальные избыточные давления взрывов (ДР

ма

кс):

1) быстро горящие смеси. (>1 м/с)— 100—80 кПа; 2) смеси со

8-1006

113

средней скоростью горения (<1 м/с, но >0,5 м/с)— 100—

50 кПа. По значениям ДР

ма

кс определяют текущие давления

волны сжатия ДРмакс при Р^2Р

и ДР=ДР иакс 2Р

/Р при

Р>2Р

. Ниже приведены значения Р/Р

в приходящей ударной

волне в условиях детонации:

• ./?//?„ 1 3 7 10 20 30 40 100

ДР, кПа Ю» 10» 50 25 10 7 5 2

Эти значения в зависимости от размеров технологических объ-

ектов могут изменяться в 2—3 раза.

Эквивалентный радиус Р

можно определить в условиях

истечения легких горючих газов (водорода, метана, этилена,

нагретого пропана), когда можно предвидеть размеры отвер-

стия, через которое сжатый газ будет выбрасываться из техно-

логической системы (например, при разрыве трубопровода).

В этом случае масса горючего вещества в объеме'облака, спо-

собного участвовать во взрыве (О, кг) будет зависеть от раз-

меров отверстия и исходного давления и может определяться

по формуле

О = яр

(Лл)

/[6ф (Снпв)

]

(4.3)

где р

— плотность газа при атмосферном давлении, кг/м

; г — радиус отвер-

стия через которое истекает газ, м; ф — экспериментальная константа, равная

55,4; Снпв —объемная концентрация газа, соответствующая нижнему преде-

лу воспламенения;

(

в/

г)

_• (4 4)

У1+(0,1РоР-

кр)/(0,17Я„Ркр) '

Ро, рв — плотность газа и воздуха, кг/м

; т

, т

— масса воздуха и газа; к —

показатель адиабаты истекающего газа; Ро — давление газа, МПа;

Ркр= 12/(7+I)]™

-". (4.5)

Для газов, у которых значение ВКПВ менее чем в 3 раза

превышает значение НКПВ (аммиак, метилхлорид), получае-

мые по приведенной выше формуле значения О снижаются пу-

тем умножения на 0,75.

В определенных условиях массу горючего вещества в обла-

ках, способную участвовать во взрыве, можно определять по

общим гидродинамическим зависимостям истечения газов и

жидкостей.

По результатам исследований и полигонным испытаниям

взрывов парогазовых смесей выведена формула, выражающая

зависимость избыточного давления сжатия в волне АР от рас-

стояния от центра взрыва до рассматриваемого объекта:

ДР = 3,7 (&/»/К) + 0,54 (Е

/К

) + 0,6 (Е/Л

) (4.6)

(здесь Е — энергия, выделившаяся при взрыве). Эта формула

применяется при значениях приведенного расстояния Р = Ж'

>0,2; при 0,08^/?//;'"^0,2 зависимость выражается формулой

ДР = 0,05/(/?/Г1/8)М. (4.7)

114

По расчетным данным для конкретных условий ориентиро-

вочно можно оценить уровень возможных разрушений по зна-

чениям избыточных давлений (АР, кПа), приведенных ниже:

Сильные повреждения всех зданий 100

Средние повреждения зданий с массивными сте- 70

нами, а также резервуаров, заполенных жидким

топливом, и автотранспорта

Сильные повреждения промышленных зданий со 53

стальным и железобетонным каркасом, разруше-

ние кирпичных стен в 1,5 кирпича

Средние повреждения административных зданий 38

и зданий с железобетонным каркасом, сильные

повреждения кирпичных домов

Средние повреждения промышленных зданий и 28

кирпичных домов, разрушение домов с деревян-

ным каркасом, повреждение линий связи, элек-

тропередач

Легкие повреждения автотранспорта, разрушение 22

шлакоблочных стен

Средние повреждения промышленных зданий, 17

сильные повреждения домов с деревянным кар-

касом

Легкие повреждения заводских труб, радио и те- 14

лефона

Разрушение рам, дверей, перегородок, среднее 12

повреждение домов с деревянным каркасом

Легкие повреждения резервуаров с жидким топ- 8

ливом

Полное разрушение остекления, повреждение 0,035—0,007

штукатурки, иногда — рам

Частичное разрушение остекления 0,015—0,02

При использовании приведенных выше формул для расчета

ДР на практике необходимо иметь в виду, что их выводили на

основании результатов испытаний взрывных процессов предва-

рительно хорошо перемешанных стехиометрических смесей, что

маловероятно при случайных промышленных авариях.

4.4. ВЗРЫВЫ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

В ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ

Горючие смеси газов (паров) с воздухом (окислителем) об-

разуются в ограниченных объемах технологической аппаратуры

и помещениях промышленных зданий и воспламеняются от

внешних источников зажигания. Производственные помещения,

как правило, загромождены оборудованием, коммуникациями,

перегородками, различными строительными устройствами, яв-

ляющимися препятствиями, способствующими турбулизации

потоков горящих смесей, многократному отражению ударных

волн и их усилению. Скорости нарастания давления в этих слу-

чаях достигают высоких значений, при которых сброс давления

через специально предусмотренные ослабленные элементы, окна

и двери уже не возможен, что приводит к разрушению крыши

115

и стен здания. Разрушающая способность взрывов газов суще-

ственно зависит от формы и геометрических размеров замкну-

тых объемов помещений, аппаратуры, трубопроводов и т. д.

4.4.1. Взрывы в малых объемах

Взрывы в помещениях кубической формы с близкими зна-

чениями длины, ширины и высоты можно считать подобными

горению сферических облаков с распространением пламени от

центра и'лй от края. На рис. 4.3 представлена план-схема раз-

рушений производства полиэтилена низкого давления, вызван-

ных взрывом паров бензина с воздухом в помещении электро-

распределительных устройств (РУ) размерами 12x10x3,2 м

(1988 г.). Взрыв произошел вследствие проникновения паров

бензина в помещение РУ с электрооборудованием в открытом

исполнении. В результате обрушилась пятиэтажная часть зда-

ния вспомогательного и бытового назначения размерами (в пла-

не) 12x24 м, расположенная между отделениями полимериза-

ции этилена в растворе бензина и выделения полимера из

бензиновой суспензии (рис. 4.4); разрушились также техноло-

гические трубопроводы и возник пожар. Через здание прохо-

—-полное разрушение

- полное разрушение остекления

Щ частичное разрушение остекления (15%)

Рис. 4.3. План-схема разрушений от взрыва ларов бензина в помещении РУ:

/ — электрораспределительное помещение на отм. 0; г —санузлы на отм. 0; 3 — масло-

напорная установка; 4 — трубопроводная эстакада (повреждений нет); 5 — коридор тру-

бопроводов бензина на отм. 3,2 м; 6 — помещение пульта КИП на отм. 7,60 м; 7 — произ-

водственные корпуса; « — отделения полимеризации и отстоя; 9 — отделения промывки

и выделения; • — места нахождения пострадавших

114

Рис. 4.4. Вид производственного здания получения полиэтилена после взрыва

дили бензопроводы по трубному коридору, под которым нахо-

дилось помещение РУ, а над которым — помещение КИП.

Выброс бензина произошел при разборке фланцевого соеди-

нения на аппарате, а также, возможно, вследствие нарушения

герметичности бензопроводов в трубном коридоре. Масса обра-

зовавшихся паров при разливе бензина на площади 35 м

не

превышала 45 кг, так как бензин не был перегрет и парообра-

зование происходило только за счет испарения с зеркала раз-

лива в течение 1 ч. Найденный по характеру разрушения остек-

ления в производственном помещении выделения полимера и в

здании, расположенном на расстоянии 85 м от РУ, тротиловый

эквивалент взрыва оказался равным 64 кг, что соответствовало

рассчитанному значению, равному 61 кг (при доле участия па-

ров во взрыве 0,3). Расчетом найдено также, что для разруше-

ния стены помещения РУ и последовавшего за ним обрушения

здания Достаточно было № = 20 кг ТНТ. Характер разрушений

свидетельствует о том, что избыточное давление и импульс

взрыва на соответствующих расстояниях от помещения РУ так*

же приблизительно близки к расчетным.

Подобный по характеру взрыв бутан-бутиленовой смеси про^

изошел в помещений насосной сжиженных газов размерами

12x42x7 м (3000 м

) и вызвал одновременное разрушение

перекрытий и стен. Здание насосной представляло собой сбор-

ный железобетонный каркас со стеновым кирпичным заполне»

нием толщиной 380 мм и имело 7 оконных проемов общей плО-

Рис. 4.5. Вид здания насосного отделения после взрыва паров бутан-бутилено-

вой фракции

щадью 92 м

и легкое покрытие площадью 152 м

; общая пло-

щадь этих легкосбрасываемых элементов на 5,4% превышала

рассчитанную по установленным нормам. Скорость нарастания

давления при взрыве превышала расчетную, а максимальное

давление взрыва составляло «20—30 кПа.

Как было установлено, вначале произошла утечка сжижен-

ной бутан-бутиленовой фракции вследствие разрушения торце-

вого уплотнения и вала насоса (НПС 120/65-750 производитель-

ностью 50 м

/ч, создающего напор 0,75 МПа), установленного

у торцевой стены здания. Первичный аварийный выброс сжи-

женного газа сопровождался локальным взрывом и последую-

щим горением газа у насоса; при этом произошли частичное

обрушение железобетонных плит перекрытия и нарушение гер-

метичности на магистрали другого насоса, находящегося у про-

тивоположной торцевой стены здания (в помещении распола-

галось 17 насосов). Утечка сжиженного газа через этот участок

продолжалась «15 мин; за это время в помещение поступило

около 30 кг бутан-бутиленовой фракции. Полагают, что обра-

зующееся при этом паровое облако перемещалось вдоль здания.

При достижении им горящего газа у насоса, находящегося в

противоположной стороне здания, произошел мощный взрыв,

вызвавший разрушение всего здания (рис. 4.5). Можно пред-

положить, что фронт пламени распространялся от края облака

(от горящего насоса у торцевой стены) к противоположной тор-

цевой стене. При этом создавались условия турбулизаций в объ-

еме горючей среды, многократного отражения и усиления удар-

ных волн, приводящих к возникновению детонации и высоких

давлений в локальных зонах. Общий тротиловый эквивалент

взрыва составил «27 кг, что соответствует энергии взрыва

11П

10 кг пропан-бутановой фракции. Доля участия во взрыве про-

пан-бутана составила ж0,3 от общего его количества, посту-

пившего в помещение и образовавшего паровое облако.

Взрывы других газов (паров) в подобных условиях и при

близких количественных показателях вызывают подобные по

характеру и масштабам разрушения. Например, взрывы водо-

рода, который по свойствам существенно отличается от угле-

водородов, могут вызывать такие же последствия, как и взрывы

паров углеводородов. Для примера рассмотрим взрыв водорода

в помещении производства капролактама. Вентильное помеще-

ние габаритами 9x18x6,8 м (1100 м

), в котором произошел

взрыв, располагалось в торце одноэтажного однопролетного

здания длиной 48 м, выполненного в виде каркаса и железобе-

тонных колонн с кирпичным стеновым заполнением. Перекры-

тия были из железобетонных плит и легкосбрасываемого ши-

ферного покрытия площадью 1,9X18 м

; в одной боковой стене

имелись оконные и дверные проемы, другие три стены были

глухими без проемов. В вентильном помещении располагалась

запорная и регулирующая арматура трубопроводов водорода

от двух источников — концентрированного (97%) со стадии кон-

версии метана и азотоводородной смеси (Н

— 50%, Ы

— 40%,

СН

—7%) от производства метанола. Водород и азотоводород-

ная смесь через вентильное отделение под давлением 2,2 МПа

подавались на стадию гидрирования бензола. Подача водорода

(3000 нм

/ч) и азотоводородной смеси (4000 нм

/ч) на гидри-

рование могла производиться одновременно от обоих источ-

ников.

До аварии трубопровод от источника азотоводородной сме-

си в вентильное отделение был включен в работу при одновре-

менной подаче концентрированного водорода. Из-за забивки

системы трубопроводов твердыми загрязнениями и ограничен-

ной проходимости была снята нижняя крышка регулирующего

клапана при закрытых вентилях непосредственно на клапаны

и за ними по ходу газа. Однако вентиль до клапана (Я

= 80 мм)

плотно не закрывался и оставался зазор площадью 2,5 см

В результате с момента снятия крышки клапана до взрыва

происходила утечка азотоводородной смеси и водорода со сред-

ней скоростью 0,27 м

/с. Общее количество водорода, поступив-

шего в помещение, составило «320 м

Из-за негерметичности вентильного помещения (вентиля-

ционные воздуховоды, открытые двери и проемы в стенах для

прохождения трубопроводов и т. д.), а также из-за продолжи-

тельного времени истечения и низкой плотности водорода зна-

чительная его часть удалялась из помещения и рассейвалась

в атмосфере. По характеру разрушения здания установлено,

что давление взрыва составляло не более 30 кПа; во взрыве

участвовало «7 кг (80 м

) водорода, что соответствовало

взрыву 10 кг ТНТ; доля участия его во взрыве от общего коли-

чества выброшенного в помещение водорода составляла «20%.

119

Рис. 4.6. План-схема уме-

ренных и легких повреж-

дений от взрыва водоро-

да в помещении (см.

табл. 4.2)