Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

отсутствие необходимых открытых проемов в кровле, сделали

невозможной эвакуацию легких газов.

4.4.2. Взрывы в больших объемах

Основные количественные характеристики взрывов в обла-

сти высоких давлений легче установить при больших массах

взрывающихся парогазовых сред и больших объемах помеще-

ний. Ниже рассматриваются характерные особенности взрывов

в помещениях как близких к форме куба, так и большой про-

тяженности.

В 1981 г. произошел взрыв паров изопентана массой

«4600 кг с долей участия во взрыве 0,2, эквивалентного №<=

=,4160 кг ТНТ, в производственном помещении дегазации раз-

мером 30x54x24 м (35 600 м

) производства изопренового

каучука. Утечка паров изопентана произошла через неисправ-

ный узел сальникового уплотнения вала мешалки находящего-

ся в работе выпарного аппарата, систему гидрозатворов и от-

крытый люк остановленного для ремонта дегазатора смежной

технологической линии. Условия возникновения и развития

аварии подробно описаны в литературе. Истечение паров изо-

пентана происходило из системы, находящейся под давлением

0,18 МПа, черЬз отверстие проходным сечением 0,024 м

со ско-

ростью 1,15 м/с в течение 15 мин при температуре паров

«98°С. Место истечения и, как полагают, источник воспламе-

нения были расположены недалеко от центральной части зда-

ния. При этом взрыв образовавшегося в объеме помещения

облака был подобен взрыву сферы с центральным зажиганием.

Наблюдаемые разрушения самого здания дегазации и других

расположенных вблизи него зданий и сооружений оказались

подобными тем, которые наблюдались при наземных взрывах

конденсированных ВВ, с явно обозначенным эпицентром в ме-

сте истечения изопентана. Зоны тяжелых повреждений, пока-

занные на рис. 4.13 и приведенные ниже, оказались близкими

к расчетным при указанном выше тротиловом эквиваленте:

«О «1 «2 Нз «1 «6

Я„, м — 60 100 150 >450 >900

Яр, м 16 60 89 154 445 896

Особыми условиями характеризуются взрывы в зданиях

большой протяженности. Взрыв смеси конвертируемого газа с

воздухом (Н

— 67—72%; N2 — 20—23%; С0

— до 2,5%; СО —

4—5%) произошел в здании компрессорной (1980 г.). Истече-

ние конвертируемого газа из коллектора под давлением 31 МПа

в помещение произошло через разрыв линзы фланцевого соеди-

нения трубопровода (0

= 70 мм) после запорного вентиля,

установленного на нагнетательной стороне шестой ступени ком-

прессора ГК-16 марки 6М40-320/320, расположенного вблизи

юрцевой стены здания компрессорной размерами 30x132x21 м

131

У////А - полное разрушение зданий вооружений

1111111111

-тяжелые повреждения строительных конструкций

-частичные повреждения здания

|повреждение остекления

Рис. 4.13. План-схема разрушений при взрыве паров изопентана в помещении

дегазации на заводе синтетического каучука (Тольятти, 1981 г.)

1 — отделение дегазации; 2 — отделение полимеризации; 3 — отделение выделения; 4 — на-

'ружная установка; 5 — промкорпуса; 6 — склады; 7 — трубопроводные эстакады; 8 — опе-

раторная

(32 500 м

). В результате разрушения линзового уплотнения и

раскрытия тела линзы образовалось отверстие площадью 16 см

Разрушение уплотнительной линзы произошло от гидравли-

ческого удара на указанном участке трубопровода при разогре-

ве замороженного участка напорного трубопровода (темпера-

тура наружного воздуха была —10°С). Так как проектом не

была предусмотрена установка отсечных устройств на коллек

торах для быстрого отключения участков коллектора нагнета

ния при его разрыве, попытки производственного персонал;

локализовать до взрыва аварийный участок перекрытием за

движки на эстакаде не удались.

Полагают, что источником инициирования взрыва образе

вавшейся газовоздушной смеси в помещении могли быть раз-

ряды статического электричества и искры, образующиеся пр

ударах твердых частиц, выносимых с газовым потоком из с»

темы трубопроводов с большой скоростью:

132

Характер разрушения здания свидетельствует о том, что

водородовоздушной смесью была заполнена примерно половина

его объема; воздушная ударная волна распространялась из зо-

лы взрыва вдоль здания в направлении, противоположном тор-

цевой стене. В результате взрыва полностью разрушены здание

компрессорной, пристройка маслохозяйства; получили значи-

тельные повреждения здание компрессорной другого производ-

ства, здание насосной, аммиачная подстанция и другие здания

и сооружения на территории предприятия.

Расчетами установлено, что общая масса поступившего в

помещение газа составила «1400 кг, а во взрыве участвовало

около 18%- Оставшаяся (большая) часть газа удалялась через

аэрационные устройства в кровле здания. Тротиловый эквива-

лент взрыва составил «3000 кг. Вследствие направленности

ударной волны вдоль .здания большой протяженности уровень

и масштабы разрушения самого здания почти в два раза пре-

вышают расчетные. В радиусе 50 м от места истечения водоро-

да и его воспламенения наблюдаемые уровни разрушений со-

ответствуют расчетным, в том числе и на объектах, располо-

женных вблизи здания компрессорной. Наблюдаемые и расчет-

ные уровни разрушения приведены ниже:

«О «1 «2 «3 #4 «6

#„, м — 50 85 150 >360 >700

ЯР, м 12,7 48 71 122 356 711

Несколько больший уровень разрушений (по сравнению с

расчетным) в протяженных зданиях наблюдается также и при

условиях, близких к центральному (симметричному) воспламе-

нению образовавшегося водородного облака. На рис. 4.14 по-

казан уровень разрушения от взрыва водорода в подобном по

геометрическим размерам (30X144X20 м) описанному выше

здании компрессорной (1980 г.). Во взрыве участвовало

«210 кг (2350 м

) водорода (доля участия составила около

78%), эквивалентного \У

= 2,5 т ТНТ. На линии выхода газа

из агрегата промывки конвертированного газа (Н

— до 70%,

С0

—до 24%, СО — до 5%, СН

— до 0,5%) жидким азотом

в производстве аммиака образовался кольцевой разрыв юбки

ответного фланца вентиля на расстоянии 10—15 мм от сварно-

го шва. Площадь кольцевого сечения разрыва составляла

0,006 м

, время истечения газа — 60 с, рабочая температура

газа в .точке разрыва — 240 °С, давления газа в системе —

15МПа. Через образовавшуюся кольцевую щель произошло

истечение конвертированного газа (в средней части здания) со

скоростью 72 м

/с (4300 м

) с образованием взрывоопасной

смеси и объемный взрыв в помещении. Полагают, что воспла-

менение могло произойти также в месте истечения. Разрушение

фланца было обусловлено дефектами микроструктуры и неудов-

летворительными механическими свойствами стали, из которой

он был изготовлен. Наблюдаемый уровень разрушения здания

133

/ — помещение компрессорной; 2 —эпицентр; 3 — производственное здание

большой .протяженности и при центральном воспламенении так-

же несколько превышает расчетный:

Ко Ла Нз «4 «5

/?„, м — — 70 120 >350 >1000

, м 11,6 44 65,0 110 325 603

Результаты исследований крупномасштабных взрывов по-

зволяют рекомендовать возможные последствия взрывов в по-

мещениях прямоугольной и близкой к кубической формы оце-

нивать по модели взрывающихся сфер соответствующих объ-

емов. Следует помнить, что для помещений большой протяжен-

ности чем больше отношение длины Ь к условному диаметру

приведенного прямоугольного поперечного сечения здания,

тем быстрее нарастает давление на последних стадиях процес-

са горения и тем медленнее на начальной стадии.

4.5. ВЗРЫВЫ ПАРОВЫХ ОБЛАКОВ

В НЕЗАМКНУТОМ ПРОСТРАНСТВЕ

" Длительное время считалось, что взрывные эффекты возни-

кают при звуковых или близких к звуковым скоростям распро-

странения (не менее чем на два порядка выше скорости рас

пространения пламени) и что в незамкнутом пространстве н<

может быть достигнуто необходимое для взрыва ускорение

134

С того времени зарегистрировано огромное число взрывов па-

ровых облаков в незамкнутом пространстве (ВПОНЦ), вклю-

чая крупные катастрофы.

4.5.1. Крупномасштабные взрывы

В округе Франклин (штат Миссури, США) в 1970 г. взорва-

лось облако паров пропана, которое образовалось при разрыве

подземного трубопровода жидкого пропана под давлением

6 МПа. Образовавшаяся при этом пролановоздушная смесь за-

полнила большую долину и, когда высота облака достигла 6 м,

произошел взрыв в насосной станции, которая располагалась

в другом конце долины. Этот взрыв вызвал детонацию облака.

Вследствие неполного сгорания пропана у места истечения по-

сле детонации возник огненный шар. Расчетом установлено, что

эквивалент взрыва составил ж 7,5% энергии, определяемой по

теплоте сгорания всего выброшенного жидкого пропана.

Из другого трубопровода (Порт-Гудзон, США) в течение

24 мин было выброшено около 113 м

жидкого пропана. Через

5 мин после разрушения трубопровода пропановое облако под-

нялось на 15—25 м над уровнем земли. При достижении обла-

ком зданий, расположенных в 300 м от места утечки, произошел

взрыв большой силы. Ударная волна распространилась на рас-

стояние 800 м, а воздушная волна зарегистрирована в 96 км от

места разрыва трубопровода. Обломки зданий разлетались на

расстояние 1,2 км. Установлено, что из системы было выброше-

но «720 м

жидкого пропана. По масштабам разрушения

строений (в радиусе 8 км) установлено, что взрыв был эквива-

лентен 23,5 т ТНТ.

В июле 1987 г. вследствие коррозионного износа межзавод-

ского подземного трубопровода пропан-пропиленовой фракции

произошла утечка газа. Образовавшееся облако распространи-

лось над поверхностью земли на большую площадь и воспла-

менилось от зажженной спички. При этом три человека скон-

чались от тяжелых ожогов.

Большой ущерб нанес взрыв облака паров циклогексана на

заводе «Нипро Кемикл Плант» около поселка Фликсборо (Анг-

лия, июнь 1974 г.). Оно образовалось при выбросе из техноло-

гической линии большой массы перегретого циклогексана. Вы-

брос горючего продукта произошел при отрыве трубопровода,

соединяющего два смежных аппарата системы. Зажигание бы-

ло «мягким» от печей с огневым обогревом, находящихся на

некотором удалении от места выброса. Поэтому вначале возник

большой пожар, а затем в результате ускорения распростране-

ния пламени образовалась ударная волна, которая вызвала

серьезные разрушения завода и домов на расстоянии около

1,5 км. Время с момента выброса циклогексана до взрыва со-

ставляло «40—120 с. На рис. 4.15 показаны наблюдаемые

уровни разрушений зданий и сооружений в области высоких

давлений.

135

ШШШ -полное разрушение

В8Ш>§1

- умеренные и легкие повреждения

• -погибшие

о -травмированные

Рис. 4.15. План-схема разрушений на заводе «Нипро Кемикл Плант» (Англия,

1974 г.) при взрыве облака паров циклогексана:

1—технологические установки; 2— место истечения перегретого циклогексана; 3— скла-

ды и производственная установка; 4 — конторские помещения; 5 — проектно-конструктор-

скоё отделение; 6 — источник зажигания (печи огневого обогрева); 7 — производственные

корпуса; 8 — резервные склады; 9 — пульт управления

По оценкам некоторых исследователей во взрыве участвова-

ло 5% циклогексана от общей массы его паров, что соответст-

вует тротиловому эквиваленту взрыва ж 16,5 т. Однако при

учете расхода энергии взрыва облака на формирование удар-

ной волны («40%) доля от участия во взрыве циклогексана,

очевидно, составляла «10%, что согласуется с наблюдаемыми

уровнями разрушения, приведенными на рис. 4.15 и соответст-

вующими тротиловым эквивалентом.

Как видно на рис. 4.15, в зоне тяжелых разрушений оказа-

лись здания пульта управления, конторских и проектно-конст-

рукторских помещений, в которых по счастливой случайности

к моменту взрыва персонал отсутствовал, так как авария про-

изошла в воскресный день; находящиеся же на пульте управ-

ления люди из производственного персонала погибли все вслед-

ствие полного разрушения здания. Из производственного пер-

сонала предприятия погибло 28 человек и 29 человек ранено;

место расположения пострадавших к моменту взрыва показано

на рис. 4.15. Создаваемые при взрыве облака избыточные дав

136 й

-полное разрушение У////Л - тяжелые повреждения

Рис. 4.16. План-схема уровней разрушений от взрыва облака паров циклогек-

сана (Англия, 1974 г.)

ления, соответствующие расстояниям = 100, 200 и 300 м (см.

рис. 4.15), можно считать опасными для жизни.

Безопасное расстояние от потенциально опасных объектов

в первом приближении можно определить по формуле (1.14).

Как уже отмечалось, при взрыве парогазовых сред и особенно

неорганизованных паровых облаков ощутимые разрушения на-

блюдаются также на больших расстояниях от места истечения

парогазовых сред и источников воспламенения, значительно пре-

вышающих рассчитанные по тротиловым эквивалентам.

Для примера на рис. 4.16 показаны уровни разрушений от

рассмотренного выше взрыва паров циклогексана. Поскольку

завод был расположен на ровной низменной площадке, окру-

женной сельскохозяйственными угодьями, ударные волны бес-

препятственно распространялись во всех направлениях к жи-

лым строениям. Ближе всего к заводу были расположены по-

селки Фликсборо и Эмкотс (800 м) и город Бертон-он-Стейтер

(3200 м). В результате взрыва получили повреждения 72 из

79 домов Фликсборо, 73 из 77 домов Эмкотса, 644 из 756 домов

Бертона-он-Стейтер и 786 домов Сканторпа. Общий ущерб, на-

137

несенный заводу и окружающей территории, оценивается в

100 млн. долларов. Наблюдаемые и расчетные уровни разруше-

ний приведены ниже:

Существенные отклонения от уровней разрушения, рассчи-

танных по тротиловым эквивалентам, наблюдались на расстоя-

ниях около 1000 м от места взрыва в областях избыточного

давления <10 кПа.

ВНОНП часто происходят при разрушениях цистерн со сжи-

женными газами при авариях на транспорте. В Ист-Сент-Луисе

(США) в январе 1972 г. при маневровых операциях на желез-

нодорожной станции механизмом сцепки вагона был пробит

корпус железнодорожной цистерны с жидким пропиленом.

В результате образовалось облако, вытянутое вдоль железно-

дорожного пути на расстояние 500 м, которое загорелось в слу-

жебном вагоне. Вслед за пожаром произошел мощный взрыв,

при котором 176 человек были ранены и причинен ущерб на

сумму 7,6 млн. долларов.

ВПОНГТ чрезвычайно разрушительны, и многие исследователи

пришли к выводу о сопоставимости их разрушающей способно-

сти со взрывами мощных конденсированных ВВ. При этом по

характеру разрушений зданий, сооружений, поваленным и де-

формированным конструкциям, столбам, деревьям всегда мож-

но определить эпицентр взрыва. Однако при этом наблюдается

большой разброс в уровнях разрушения. Например, вблизи

прочных, но сильно разрушенных строений могут оказаться лег-

ко поврежденные здания. Отбор наиболее показательных раз-

рушений или игнорирование близко расположенных незначи-

тельно разрушенных объектов приводит иногда к ошибочным

выводам об энергетическом эквиваленте ВПОНП.

Крупнотоннажные выбросы воспламеняющихся паров опас-

ны для жизни в той же степени, что и взрывы конденсирован-

ных ВВ. В то же время известны многочисленные взрывы па-

ровых облаков сравнительно небольших масс горючих веществ,

которые также являются опасными.

4.5.2. Взрывы неограниченных облаков малых объемов

В реальных промышленных условиях ежегодно тысячами ис-

числяют локальные взрывы («хлопки») парогазовых выбросов

из технологических систем, сопровождающиеся сильным звуко-

вым эффектом. При этом также создается избыточное давление,

которое в определенных условиях может оказывать разрушаю-

щее действие. Наибольший разрушающий эффект имеют ло-

кальные взрывы веществ, характеризующихся высокими скоро-

Ян, м

150 280 400 800 ~3200—4800

г=0,1

2=0,05

150 221 380 1100 2210

100 146 225 734 1470

138

Рис. 4.17. План-схема разрушений от взрыва облака этилена массой 450 кг:

/ — место истечения этилена; 2 — производственный корпус; 3—реакторный блок (поли-

меризации этилена) в ограждающих железобетонных конструкциях; 4 — здание станции

горячей воды; 5 — место разрушения стеновых панелей; 6 — административно-бытовой кор-

пус

стями распространения пламени при сравнительно небольшой

массе горючего вещества. Так, в 1987 г. на открытой установке

полиэтилена высокого давления вследствие аварийного разру-

шения трубопровода в течение Зев атмосферу было выброше-

но (со скоростью 117 м

/с) «450 кг этилена. При взрыве об-

разовавшегося этиленового облака произошло разрушение

остекления расположенных вблизи зданий общей площадью

3000 м

; в помещении станции горячей воды были сорваны же-

лезобетонные стеновые панели. Найденное по характеру раз-

рушения максимальное давление взрыва в радиусе 50 м со-

ставляло «20 кПа (К=10). Взрыв был эквивалентен 650 кг

ТНТ, что соответствует энергии взрыва этилена массой «140 кг

(2 = 31%).

Авария возникла вследствие падения напряжения в электро-

сети. Сначала открылись предохранительные клапаны реактор-

ного блока (реакторы трубчатого типа, Р = 180 МПа, 7 = 288°С),

причем одновременно, а не последовательно с интервалом, пре-

дусмотренным аварийной программой. При открытом аварий-

ном клапане был разрушен участок трубопровода за клапаном

на факел, так как сбросный трубопровод был забит полимером

из-за негерметичности клапанов и нарушений технологического

ЮО

Процесса. Уровни разрушений от взрыва Этилена в атмосфере

представлены на рис. 4.17 и ниже:

Яе «1 «а Лз «4 «в

Яя, м - — - 40-60 >200 >300

Яр, м 5 19 28 48 140 280

Из приведенных данных видно, что в зонах, близких к мес-

ту утечки этилена, наблюдаемые разрушения сопоставимы с

расчетными. Зоны же малых уровней давления в отличие от

взрывов конденсированных ВВ при больших массах паровых

облаков оказываются более растянутыми. Наблюдаемый радиус

разрушений Кб несколько больше расчетного.

4.5.3. Совмещенные взрывы парогазовых смесей

В открытом пространстве и замкнутых объемах

Промышленные взрывы паровых облаков часто представля-

ют собой совмещенные взрывы в открытом и замкнутом объ-

емах. При этом в зависимости от массы и объемов облака, спо-

соба зажигания и места расположения источника возможны

как дефлаграционные режимы горения, так и детонационное

распространение ударных волн. При условии зажигания у края

облака фронт пламени перемещается с ускорением в направле-

нии, противоположном распространению паров от источника

выброса.

В качестве примера приведем результаты исследования

взрыва пропан-бутиленовой фракции на установке сернокислот-

ного алкилирования углеводородов (1988 г.) при температуре

окружающей среды «25°С. Вследствие аварийного выброса

сжиженной бутан-бутиленовой фракции в помещении насосной

станции размерами 33x13x5 м образовалась горючая смесь

паров углеводородов с воздухом; через открытые двери и дру-

гие проемы в течение 10—15 мин пары распространялись в от-

крытое пространство с образованием над поверхностью земли

облака дискообразной формы радиусом «70 м и высотой 2—

2,5 м. Всего (при скорости истечения 1200 кг/мин) в помеще-

ние насосной было выброшено около 70 м

(12 т) сжиженной

пропан-бутиленовой фракции. Образовавшееся облако воспла-

менилось от электродвигателя аммиачного компрессора в от-

дельно стоящем здании, расположенном на расстоянии 14 м от

здания насосного отделения. Пары углеводорода в электродви-

гатель проникли через разрушенную мягкую вставку на возду-

ховоде (приемной части) вентилятора, обеспечивающего поддув

воздуха в кожух электродвигателя. При взрыве парового обла-

ка была разрушена кровля с перекрытиями помещения насос-

ной, частично помещение аммиачной компрессорной; остекление

было разрушено в зданиях на площади в радиусе 800—1000 м.

После взрыва в отделении насосной возник пожар; выгорание

разлитой и поступившей в помещение пропан-бутиленовой фрак-

ции продолжалось около 2 ч.

1ЛП