Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

Но и массы тротилового эквивалента и значению /Г=1.

Тогда уравнение (1.9) будет иметь вид

Я = Я

= 1Г1/»/П + (3180/Г)»]

/«, (1.12)

т. е. при №>5000 кг Но = №

1/3

м. Если заменить массу троти-

ла на его энергетический эквивалент №=^/4520 кг, то Но

—

<2в

= 16,534Я"

, или 16,534#о

Подставляя значения Но и № в уравнение (1.10), получаем:

/С= 16,534 Я

/Я1/з. (1.13)

В официальной нормативной документации значение

используется как важнейший количественный показатель уров-

ня возможных разрушений при взрывах на технологических

объектах и называется относительным потенциалом взрыво-

опасности. По этому показателю технологические объекты под-

разделяются на три категории: 1) ф

>37; 2) 37><3„>27;

3) <?в<27.

Соответствующее условию К=

(т. е. при значе-

ние расстояния от источника взрыва Но называют условным

радиусом полного разрушения, который, так же как и относи-

тельный потенциал (?„, является количественным показателем

взрывоопасное™ объектов.

Для количественной оценки разрушающей способности

ударных волн от взрывов парогазовых сред может быть ис-

пользован количественный показатель т — масса горючего ве-

щества, приведенная к единой энергии сгорания 46 000 кДж/кг,

равной удельной теплоте сгорания большинства углеводородов.

На основании результатов исследований последствий круп-

номасштабных промышленных взрывов паров углеводородов в

незамкнутом пространстве для определения безопасного для

людей расстояния Н

от источника взрыва в виде парового

облака массой т выведена формула

=(30 - 50)т

/з, (1.14)

которая соответствует принципу подобия взрывов неорганизо-

ванных паровых облаков в области низких давлений.

Зависимости масштабов и характера разрушений от общей

массы паров т, энергии взрыва Е и эквивалентной массы тро-

тила № наблюдаются и при многих случайных промышленных

взрывах конденсированных ВВ, парогазовых сред и аэровзве-

сей. Дробящее действие взрывов конденсированных ВЙ суще-

ственно выделяется лишь на объектах, расположенных в непо-

средственной близости от источника, где ударная волна ха-

рактеризуется максимальными значениями амплитуды и им-

пульса. Ударные же волны от взрывов парогазовых сред, ха-

рактеризующиеся более низкими давлениями, распространяют-

ся на большие расстояния в отличие от волн, генерируемых

эквивалентными по энергии взрывами конденсированных ВВ.

На расстояниях Н от места взрыва в области средних давле-

ний ударных волн от 2000 до 20 кПа от взрывов конденсиро-

ванных ВВ и парогазовых и дисперсных сред не наблюдается

существенных различий в характере разрушения промышлен-

ных зданий и сооружений. Следовательно, для конкретных од-

нотипных условий взрывов парогазовых сред с тяжелыми и

средними уровнями разрушений могут быть использованы при-

веденные выше основные принципы моделирования взрывов и

другие» общие закономерности формирования и распростране-

ния ударных волн.

При моделировании взрывных явлений в технологических

системах следует исходить из возможности термического раз-

ложения нестабильных газовых сред, а взрывов большинства

горючих газов с окислителями (воздухом, кислородом, хло-

ром и др.)—из конкретных условий образования взрывоопас-

ных парогазовых смесей при наиболее вероятных дестабили-

зирующих факторах. Взрывные явления при этом могут мо-

делироваться при однородности взрывоопасной среды (объ-

емной удельной плотности и скорости энерговыделения), сход-

стве формы (цилиндрическая, сферическая) оболочки техно-

логических систем и других условий, отвечающих требовани-

ям закона кубического корня.

1.6. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ОЦЕНКА

РАЗРУШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВЗРЫВОВ

Известные и найденные по характеру разрушения тротило-

вые эквиваленты позволяют определить энергию взрыва Е

различных ВВ. Однако при этом следует учитывать и конкрет-

ные условия взрыва.

Известно, что первоначально вся энергия сосредоточена в

источнике в форме потенциальной энергии. В момент взрыва

она переходит как в тепловую и кинетическую энергию различ-

ных областей и фрагментов системы, так и в энергию излуче-

ния. Энергия волны как движущейся части газовой среды мате-

матически может складываться из тепловой энергии

= |рС(9-е

) (1.15)

и кинетической

= 1/2 | ры

ЙУ, (1.16)

где р — плотность; С теплоемкость; бо, 6 — начальная и конечная температу-

ры; V—объем волны.

На поздней стадии развития процесса суммарная энергия

волны Е=Е

-\-Е

оказывается величиной постоянной и не из-

меняется во времени. Это постоянство на стадии слабого взры-

ва характерно для всех взрывных процессов,

При взрывах конденсированных ВВ на образование воз-

душной ударной волны расходуется практически вся (>90%)

энергия взрыва. Из результатов зарубежных исследований сле-

дует, что химическая энергия в газовой среде только на 25%

преобразуется в энергию ударной волны взрыва. Это значение

считается максимальным теоретическим «выходом» энергии

взрыва парового облака, которому соответствует «2,5—3,0 кг

ТНТ на 1 кг углеводорода.

По результатам исследований советских ученых максималь-

но возможный КПД взрыва парового облака (т. е. отношение

энергии воздушной ударной волны к общему энергетическому

потенциалу смеси) составляет «40%. Остальная часть энер-

гии расходуется на нагрев продуктов реакции и воздуха в

ударной волне; в этом случае эквивалент взрыва 1 кг углево-

дорода составляет 5—8 кг ТНТ. В отличие от теоретических и

экспериментальных (предварительно приготовленных однород-

ных смесей) при промышленных взрывах при большом раз-

бросе значений концентрации горючего вещества в воздухе

«выход» энергии во многих случаях оказывается меньшим.

Однако известны взрывы паровых облаков, при которых

«выход» энергии достигает высоких значений, что объясняет-

ся его зависимостью от массы горючего вещества, термодина-

мических свойств, скорости горения и др. Отмечается, что вы-

свобождение незначительной энергии имеет нулевой «выход»;

в других случаях он достигает 60%, что в два раза превышает

«выход» энергии при детонации. Согласно результатам иссле-

дований крупномасштабных промышленных взрывов энергия

взрыва составляет 4—6% от энергии сгорания облака с мас-

сой 10—40 т горючего вещества. При этом взрыв облака уг-

леводорода соответствует тротиловому эквиваленту 0,5.

По оценкам уровней разрушений при многих катастрофиче-

ских промышленных взрывах переходы энергии в ударные вол-

ны составляли от 7,5 до 0,2% от общей энергии сгорания всей

массы аварийных выбросов горючих продуктов, рассчитанных

по теплотам их сгорания в воздухе. В соответствии с приве-

денными исследованиями, а также по официальным рекомен-

дациям для ориентировочной оценки уровня возможных раз-

рушений при взрывах неорганизованных паровых облаков ко-

личество высвобождаемой энергии должно составлять от 2%

(нижний предел) до 10% (верхний предел) от общих значений

энергетических потенциалов.

При изучении степени расширения продуктов газового взры-

ва выявлено, что при сферической деврнации газовоздушных

смесей только «40% энергии взрыва совершают работу,

а остальная энергия к концу расширения содержится в про-

дуктах реакции. При взрывах же сосудов от превышения дав-

ления «60% энергии расширения парогазовых сред перехо-

дит в кинетическую энергию осколков, которые при промыш-

ленных авариях разлетаются в среднем на 500—700 м, а в от-

дельных случаях —на 1200—1500 м. При этом на формирова-

ние ударной волны расходуется только «40% общей потен-

циальной энергии взрыва сжатого газа.

Переход энергии взрыва в энергию излучения существенен

и учитывается только при атомных взрывах. При больших ис-

точниках и относительно медленном энерговыделении при про-

мышленных взрывах наблюдается переход большей части

энергии во взрывную волну и несопоставимо малой части —

в энергию излучения.

В общем случае для условий адекватности уровня разру-

шений приближенно для промышленных случайных взрывов

может быть составлен энергетический баланс ударных волн

генерируемых взрывами парогазовой среды и тротила:

0,4/Пга7г = °.

9П

Мт. ^ (I 17)

где 0,9 и 0,4—доли энергий взрыва тротила и парогазовой среды. ;)атрачи

ваемые непосредственно на формирование ударных волн; т

—общая приве

денная масса горючего вещества во взрывоопасной парогазовой смеси, кг; г-

доля приведенной массы участвующей во взрыве; <?

и <?

— удельные теплоп

сгорания парогазовой среды и взрыва тротила, кДж/кг.

Для неорганизованных паровых облаков в незамкнутом

пространстве с большой массой горючих веществ доля участия

во взрыве может приниматься равной 0,1. В отдельных, обос-

нованных по принципам подобия случаях значения г могут

снижаться, но не менее чем до 0,02. Для взрывов в производ-

ственных помещениях и других замкнутых объемах значения г

принимаются в соответствии с ОНТП24-—86 — для горючих га-

зов, 0,5 — для паров легковоспламеняющихся и 0,3 — для го-

рючих жидкостей. В замкнутых объемах аппаратуры, когда

создаются условия образования стехиометрического соотноше-

ния «бедных» горючих парогазовых смесей с газами-окисли-

телями, доля участия горючего вещества во взрыве может

быть значительно выше и иногда г= 1.

Приведенные оценки взрывных явлений парогазовых сред

в незамкнутом пространстве, а также в замкнутых объемах

помещений и технологической аппаратуре являются ориенти-

ровочными. В реальных производствах при большом многооб-

разии различных факторов взрывные эффекты могут сущест-

венно различаться.

При оценке уровней взрывоопасности технологических

объектов могут быть использованы конкретные модели воз-

никновения и развития реальных промышленных аварий, кото-

рые кратно будут описаны в последующих разделах. При

этом следует учитывав, что в многочисленной зарубежной ли-

тературе доля энергии, расходуемой на формирование удар-

ной волны («выход» энергии), рассчитывают как долю (в %)

от полного энергетического потенциала; не учитывается, на-

пример, что во взрыве участвует лишь часть технологических

выбросов, а большая часть вещества рассеивается или сгора-

ет при последующем пожаре.

При Составлении энергетического баланса взрыва парога-

зовой среды следует различать долю горючего вещества, уча-

ствующего во взрыве, и расход энергии этого взрыва на фор-

мирование ударной волны. При многих исследованиях аварий

такого различия не делают. В результате количественная

оценка взрывных явлений по «выходу» энергии оказывается

неадекватной расчетным данным, определяемым по официаль-

ной методике, принятой в СССР. Этого не происходит при

сравнительных оценках по эквиваленту ТНТ.

Приведенная масса горючей парогазовой среды определя-

ется как отношение общего энергетического потенциала к

удельной теплоте сгорания вещества, равной 46-Ю

кДж/кг.

Общий энергетический потенциал технологических объектов Е

может определяться как совокупность энергий адиабатическо-

го расширения парогазовой среды, полного сгорания имею-

щихся и образующихся из жидкости газов за счет внутренней

и внешней (окружающей среды) энергии при внезапном рас-

крытии технологической аппаратуры. В инженерных расчетах

значения Е определяют раздельно по каждому технологическо-

му блоку (аппарату, технологическому участку) по конкрет-

ным моделям возникновения и развития возможных на них

аварий. При этом учитывают условия наложения (одновре-

менности) энерговыделения от различных энергоносителей.

Например, для системы (блока), содержащей нейтральную

перегретую жидкость и паровую среду под давлением, значе-

ния Е определяют как сумму одновременно высвобождающих-

ся энергий перегрева жидкости и адиабатического расшире-

ния паров; в подобной же системе, но содержащей горючую

жидкость и взрывоопасные в смеси с воздухом пары, допол-

нительно учитывают энергию сгорания имеющихся паров и

образующихся за счет теплоты перегрева жидкости при полной

разгерметизации системы. В реальных технологических систе-

мах сочетания энергоносителей и условий для одновременного

энерговысвобождения весьма многообразны; они будут рас-

смотрены в последующих разделах, посвященных анализу

конкретных аварий.

Ориентировочные значения энергетических показателей

взрывоопасности Е, т, <?

и /?

определяют по общим мате-

матическим зависимостям, приведенным в «Общих правилах

взрывобезопасности», или другими уточненными методами,

исходя из конкретных условий. Например, для взрывов неор-

ганизованных облаков в атмосфере при 2 = 0,1, температуре

окружающей среды 50 °С и времени развития аварии 18*0 с

(как и для других конкретных условий) их можно определить

графически по количественным зависимостям, приведенным на

рис. 1.4.

По уравнению энергетического баланса ударной волны с

учетом конкретных условий определяют реально возможный

эквивалент ТНТ, а по закономерностям «кубического корня»—-

во

10 20 30 6-10, к Дж

10 20 30

Рис. 1.4. Зависимость <2„ (1) и (2) от энергетических потенциалов Е и об-

щей приведенной массы т парогазовой фазы:

а — о—100 кг; б - 100—2000 кг; в — 2,0—12,5 т; г — 12,5—200 т

реальные расстояния /? соответствующих уровней разруше-

ния, площади, описываемые этими радиусами, а также другие

параметры воздействия ударных волн на объекты.

В официальных рекомендациях выделяется пять зон опас-

ности, соответствующих следующим значениям константы К в

формуле (1.9):

1) К = 3,8 — полное разрушение зданий; 2) К

—

56—50%

разрушения зданий; 3) /(=9,6 — разрушения зданий без обру-

шения; 4) К = 28 — умеренное разрушение зданий с разруше-

Таблица 1.1. Уровни разрушения зданий

Категория

повреждения

Характеристика повреждения здания

Избыточное

давление,

кПа

Полное разрушение здания

3,8—5,6

Тяжелые повреждения, здание под-

5,6—9,0

лежит сносу

Средние повреждения, возможно вос-

9,6—28

становление здания

Разбито 90% остекления

2,8—56

Разбито 50% остекления

0,2

>56

Разбито 5% остекления

0,05

>56

нием дверей, оконных переплетов, кровли, внутренних перего-

родок; 5) /(=56 — малые повреждения с разрушением «10%

остекления. Более точно разрушающую способность взрывов

можно характеризовать избыточным давлением, воздействую-

щим на объект. В табл. 1.1 приводятся уровни разрушения не-

которых зданий и соответствующие им избыточные давления,

при которых достигается данная степень разрушения. На

рцс. 1.5 показана соответствующая зависимость избыточного

давления и приведенных расстояний.

Определение разрушающей способности по тротиловому

эквиваленту и совмещению зависимостей радиуса разрушения

и избыточного давления от приведенного расстояния оказалось

приемлемым и широко используемым для оценки взрывов па-

1Г>6

Рис. 1.5. Зависимость давления на фронте ударной волны при взрыве ВВ (Р)

от приведенного расстояния (К/Ж

Рис. 1.6. Зависимость (экспериментальная) избыточного давления на фронте

ударной волны (Р) при наземных взрывах полусферических зарядон ТНТ от

приведенного растояния

Рис. 1.7. Зависимость безопасных расстоя-

ний #„ от массы взрывающихся зарядов

ВВ (V)

ровых облаков. Несмотря на не-

которую неадекватность высво-

бождения энергии различными

энергоносителями, метод совмеще-

ния энергетического эквивалента

ТНТ и основных принципов «куби-

ческого корня» позволяет достаточ-

но точно прогнозировать уровни возможного разрушения при

взрывах на технологических объектах. Достоверность такого

метода совмещения подтверждается и полигонными испыта-

ниями. Для сопоставления на рис. 1.6 приведена зависимость

избыточного давления наземных взрывов полусферических за-

рядов ТНТ от приведенных расстояний, построенная по 273

точкам. Как видно, эта зависимость идентична зависимости,

приведенной на рис. 1.5. Этот метод хотя и является ориенти-

ровочным, но доступен и прост.

Для практических расчетов безопасности в конкретных ус-

ловиях можно оценить максимальное избыточное давление,

при котором объект (здание, сооружение) будет сохранять

еще необходимую устойчивость. Непревышение этого давле-

ния может быть обеспечено соответствующим безопасным рас-

стоянием (от источника взрыва до объекта) или при изве-

стном расстоянии Де уменьшением энергетического потенциа-

ла. При этом для больших значений №>4 т используется

принцип Хопкинсона К

—

Однако при малых значениях

ж показатель степени существенно изменяется в зависимости

от массы № и находится в пределах '/з—

/з^ Этим объясняется

то, что в ряде стран (США, Англия, Франция) используют по-

казатель степени '/2 при определении безопасных расстояний

. Применяют также зависимость Д

= 38№

666

, поскольку

при малых значениях № размеры здания становятся сравни-

мы с Я

. Например, при №=1 кг Д

= 5—6 м. При взрыве за-

ряда непосредственно у здания (при нулевом удалении от зда-

ния) большая часть здания будет находиться за предела-

ми Я

При зарядах ВВ меньше нескольких тонн расстояния Я

будут несколько меньше расстояний, рассчитанных по куби-

ческой зависимости. Так, для №<100 кг расстояния Я

почти

не имеют значения для здания в целом. На рис. 1.7 приведена

зависимость значений безопасных расстояний для зданий /?„

от массы которая может быть использована для выбора

безопасных условий в случае конкретных технологических

объектов.

1.7. СКОРОСТЬ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОМ

Разрушающая способность ударных волн в значительной

мере зависит от скорости энерговыделения в источнике. Если,

например, в сферическую область конечного размера энер-

гия <3 подводится очень медленно по сравнению со временем

распространения звука в сфере, то давление не повышается и

взрывной волны не будет, хотя и будет произведена работа

Е„ при постоянном давлении:

= Р

(К

-У

)=]У«(9

-е

), (1.18)

где N - - число молей газа; — универсальная газовая постоянная.

Если же энергию <2 подводят очень быстро, что приводит к

подъему давления до /Ч, то

С1

= МСу(в

-в

). (1.19)

Для сферы с идеальным газом

<г = (Л-Р

)У/(р-1) (1.20)

(V— объем сферы; р — плотность среды). При делении обеих

частей двух последних уравнений на начальную энергию сфе-

ры получается выражение для плотности энерговыделения:

Медленный подвод энергии (давление постоянно) в пре-

дельном случае совпадает с быстрым подводом энергии к сфе-

рам очень большого объема. При крайне медленном повыше-

нии давления взрывные волны не образуются.

Способ и скорость энерговыделения в источнике оказывают

существенное влияние на уровень избыточного давления ДР

и импульс взрыва I. В области слабого взрыва наблюдается

подобие в распространении избыточного давления для всех ви-

дов источников при больших значениях и малом времени

энерговыделения. При взрывах сфер подобие наблюдается при

а для распространяющегося пламени из центра источ-

ника подобие в области слабого взрыва — при скорости горе-

ния не менее 45 м/с. Безразмерный положительный импульс I.

остается постоянным для всех типов источников при /?>0,3.

При медленном энерговыделении, например при скорости рас-

пространения пламени <45 м/с, и безразмерном времени теп-

ловыделение т>0,5 ударных волн не наблюдается.

В случае взрывных волн от источников с малой плотно-

стью энерговыделения амплитуда давления отрицательной фа-

зы сравнима с амплитудой положительной фазы. Это приво-

дит к качественно новым видам вакуумного разрушения в от-

личие от взрывов высокоэнергетичных ВВ,

1.8. РЕЖИМЫ НАГРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРИ ВЗРЫВАХ

И ОЦЕНКА РАЗРУШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УДАРНЫХ ВОЛН

Ударные волны от взрывов парогазовых сред и аэровзве-

сей характеризуются конечным временем и низкими темпами

нарастания давления, т. е. большим временем воздействия из-

быточного давления на объекты (в отличие от практически

мгновенного нарастания давления и быстрого его спада при

взрывах конденсированных ВВ). На рис. 1.8 схематически по-

казано изменение избыточного давления в ударной волне от

взрыва газовых (дисперсных) облаков в замкнутом объеме.

Для оценки разрушающей способности волны важно знать не

только максимальное давление Рмакс, но и темп его нараста-

ния, продолжительность действия нагрузки отношение =

= 0,4—0,2. Максимальный темп нарастания давления, опреде-

ляемый наклоном кривой Р^), при

будет равен

ёР/Ш(1

/2) = 2Р

иакс

. (1.22)

Важным фактором взрыва является время энерговыделения

в источнике \

- Отношение этого времени к времени распрост-

ранения звука от центра сферы до границы источника пред-

ставляет собой безразмерное время энерговыделения т=

1еао/го,

где а

— скорость звука в источнике до энерговыде-

ления; г

— радиус источника.

Показанное на рис. 1.8 изменение давления ударной вол-

ны во времени характеризует также и режим воздействия ее

на объект, т. е. его нагружение. Выделяют три характерных

режима нагружения объекта (рис. 1.9): импульсный (А), ди-

намический (Б) и квазистатический (В). При импульсном при-

ложении нагрузок продолжительность действия ударной волны

мала по сравнению с характерным временем реакции объек-

та, а к моменту исчезновения нагрузки в конструкции могут

возникать лишь незначительные деформации.

Квазистатическое нагружение (вдвое больше статического)

характеризуется большой продолжительностью воздействия

Р с Рис. 1.9. Схематическое изображение зависимости избыточного давления

импульса взрыва I (режим нагружения объекта ударной волной)

ЯО

Рис. 1.8. Графическое изображе-

ние изменения давления Р во

времени (() при вз,рыве газовой

(дисперсной) сферы в замкну-

том объеме