Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

ных веществ. В промышленных условиях такое случайное хи-

мическое разложение диазосоединений' имеет взрывной харак-

тер и может приводить к разрушению аппаратуры и другим

тяжелым последствиям.

Такие аварии происходили, например, в производстве ди-

азоля алого К вследствие деструктивного разложения диазо-

соединения, содержащего группы Ы0

и которые обус-

ловливают его нестабильность. 25 июля 1990 г. взрыв этого

продукта произошел на совмещенном производстве диазолей

алого К и оранжевого О, введенного в эксплуатацию в 1982 г.

на Заволжском химическом заводе им. М. В. Фрунзе. Продукт

находился в солеобразователе — реакционном стальном эмали-

рованном вертикальном аппарате с рубашкой объемом 10 м

(диаметр 2,2 м, высота — 3,76 м), снабженном якорной мешал-

кой. По прочностным характеристикам аппарата рабочее дав-

'ление в нем допускалось до 0,25 МПа. Аппарат был расположен

на втором этаже трехэтажного здания. Взорвались нестабили-

зированные диазосоединения,,которые накопились в количестве

около 2 кг на свободной внутренней сферической труднодоступ-

ной части крышки аппарата. Взрывом с аппарата была сорвана

крышка, привод мешалки вдавлен в железобетонное перекры-

тие третьего этажа, цилиндрическая часть аппарата с днищем

сброшена на первый этаж, деформирован опорный каркас из

стальных балок, оборваны трубопроводы и электрокабели.

В крышке аппарата обнаружена пробоина рваной конфигура- -

ции с сечением разрыва 4 см

, которая образовалась во время

взрыва от удара торцевой частью вала мешалки. С внутренней

стороны крышки эмаль была обита, а сфера крышки дефор-

мирована; от удара повреждена футеровка на днище аппарата.

В ходе расследования выяснилось, что из-за отсутствия

сырья производство диазоля было остановлено, а реактор был

залит водой до перелива через открытый люк диаметром 0,4 м

на крышке аппарата. При таком уровне залива объем свобод-

ного пространства (не залитого водой) под крышкой составлял

«0,25 м

. Продукты реакции, оставшиеся в аппарате, после

заполнения водой оказались под ее слоем (около 40 кг) и час-

тично в виде отложений под крышкой аппарата. Заполненный

водой при выключенной мешалке аппарат до взрыва находился

в течение 25 сут. За столь длительное время в массе подсушен-

ных нестабилизированных (имеющих повышенную кислотность)

диазосоединений могли протекать процессы разложения с об-

разованием нитропродуктов; возможны также экзотермические

процессы, приводящие к локальным разогревай в массё про-

дуктов. Такая модель инициирования взрыва диазосоединений

могла быть единственной при отсутствии внешних энергетиче-

ских источников, так как производство длительное время про-

стаивало при полном отключении энергоснабжения, а взрыв

произошел в ночное время (в 3 ч 37 мин) в отсутствие произ-

водственного персонала или других очевидцев.

Следует обратить внимание на высокую чувствительность

диазосоединений к тепловым источникам инициирования; пыли

их взрывоопасны: имеют НКПВ—18,5 г/м

и самовоспламе-

няются при 156°С.

2.5. ОЦЕНКА РАЗРУШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

НАДЗЕМНЫХ ВЗРЫВОВ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВВ

При взрывах конденсированных ВВ в открытом пространст-

ве энергия ударной волны распределяется в сфере с центром

расположения точечного заряда; соответственно разрушающая

способность надземных взрывов и опасность разрушений зда-

ний и сооружений будут ниже по сравнению с подобными на-

земными взрывами.

На рис. 2.3 представлено графическое изображение сфери-

ческих ударных волн от наземного взрыва (5^ и надземного

на высоте к над уровнем земли (5„); сфера 5

представляет

собой отраженную волну при надземном взрыве, площадь этой

сферы пропорциональна усилению ударной'волны в верхней

части сферы 5

. При идеальном отражении ударных волн от

земли при наземном взрыве вся энергия нижней полусферы пе-

реходит в верхнюю полусферу, удваивая ее плотность. При

надземном же взрыве в верхнюю, большую часть сферы пере-

ходит меньше энергии отраженной волны, численно зависящей

от высоты к. Для конкретных условий падающая волна (пло-

щадь сферы 5„) усиливается на величину площади отраженной

сферы 5

. Соотношение площадей малой сферы 5

1И

и большой

верхней 5ц я = 5

/5ц (2.1) представляет собой отношение

силы падающей ударной волны на твердую отражающую по-

верхность (часто землю) к силе ударной волны верхней сферы.

Выразив площади сфер через радиус Я и высоту расположения

заряда над уровнем земли через к (см. рис. 2.9), получим:

=(Я-Л)/(Я + А). (2.2)

Если пренебречь потерей энер-

гии при отражении ударной волны,

то коэффициент снижения давле-

ния ударной волны при надземном

взрыве (к) на расстоянии Я при

высоте расположения эпицентра

(заряда) от поверхности земли к

по сравнению с давлением на та-

ком же расстоянии Я при наземном

взрыве Может определяться выра-

жением . к

= (1 + п)/§. Графиче-

Рис. 2.3. Схематическое изображение удар-

пых волн при надземном взрыве Конденси-

рованного ВВ

екая зависимость значений п

и к

представлена на рис. 2.4,а.

Это выражение в общем случае выражает уровень снижения

давления на фронте ударной волны в зависимости от высоты

расположения заряда над уровнем земли в интервале 0<^<Д.

Для определения избыточного давления на фронте ударной

волны от надземного взрыва заданной массы ВВ, расположен-

ной на высоте к, полученное значение к

умножают на избы-

точное давление, которое было бы при наземном взрыве, рас-

считанном по зависимостям кубического корня. Значения коэф-

фициента ослабления ударной волны надземных взрывов могут

находиться в пределах Я

= 0,5—1; граничным значениям кз

соответствуют наземный взрыв при

и надземный при

К = к.

По графической зависимости АР = \{Я/№

') может быть оп-

ределено приведенное расстояние и соответствующее зна-

чение К в формуле (1.9). Аналогично можно определить изме-

нение объемной плотности энергии в сфере с учетом высоты

расположения заряда над уровнем земли:

=У

/(У

-У

), (2.4)

где VIII — объем малого сегмента; У

-—полный объем шаровой сферы.

Выражая значения объемов сегментов через радиус вы-

соту расположения заряда над уровнем земли к и высоту ма-

лого сегмента

{к

—

/?]—к),

получаем:

= Щ*/1Ь\(ЗК-Н

)]. (2.5)

Коэффициент снижения объемной плотности энергии взрыва

с изменением высоты расположения заряда над уровнем земли

ку определяется зависимостью

+ ^/2). (2.6)

Графическая зависимость избыточного давления взрыва ДР

от приведенного расстояния, а также принцип Хопкинсона яв-

ляются выражением общей закономерности изменения давле-

ния на фронте ударной волны по мере удаления ее от источни-

ка, Таким образом, ДР и К определяют текущее значение из-

быточного давления на фронте ударной волны на расстоянии

К от источника взрыва данной массы ВВ (тротилового эквива-

лента). Оценку разрушающей способности надземных взрывов

можно также проводить по принципу кубического корня, но с

учетом коэффициента к

и найденного по графикам 2.4 соот-

ветствующего значения приведенного расстояния.

Для практических расчетов используют справочные зависи-

мости параметров ударных волн как воздушных (надземных),

так и наземных взрывов ТНТ, которые принципиально идентич-

ны приведенным выше. Зависимости избыточного давления

взрыва ТНТ от расстояния выражаются следующими форму-

лами:

воздушный взрыв

ДР

= 0,84- + +0,7 (2.7)

наземный взрыв

ДР

= 0,1 -У!?/!* +0,43-^Р/Д

+ 1.4-1У/Я

. (2.8)

По справочным данным проектировщики определяют и вре-

мя действия давления сжатия т:

воздушный взрыв

т = 1,510-з У^УИ; (2.9)

наземный взрыв

т= 1,7 -Ю-зу^У^- (2.10

Аналогично определяются импульсы взрывов 1 (МПа-с/м

1=\№

/Я (воздушный взрыв) и I

—

6,3 (наземный взрыв).

В приведенных формулах масса тротила V/ — в кг, а расстоя-

ния от центра взрыва К — в м.

По изменению объемной плотности энергии взрыва можно

провести оценку последствий надземных взрывных явлений,

представив принцип кубического корня (/? = /СИР"'') в виде об-

ратной зависимости \/К=№''/Я (2.11); тогда при К=

и Я =

= плотность энергии будет равна УР/К

(в единицах массы

тротилового эквивалента, отнесенной к объему заданной сферы

взрыва). В этом случае для условий надземного взрыва можно

записать:

Д = Д

= 6у №Г». (2.12)

Ниже приведены значения коэффициентов ослабления дав-

ления ударной волны и снижения объемной плотности энергии

в сфере радиусом Р. = 10 м, рассчитанные по формулам (2.2),

(2.3), (2.5) и (2.6) при расположении заряда на высотах от

уровня земли в пределах от 0,1 Я до 0,9/?;

Коэффици-

енты ос-

лабления

ударных

волн

Высота расположения заряда от уровня земли в долях

0,1

0,2 0,3

0,4

0,5

0.6

0,7

0.8

0,9

пз 0,818 0,666 0,538 0,428

0,909 0,833 0,769 0,714

Пу 0,740 0,540 0,390 0,280

ку

0,870 0,770 0,695 0,640

0,333 0,250 0,178 0,111 0,053 0

0,667 0,625 0,588 0,556 0,526 0,5

0,190 0,120 0,065 0,030 0,010 0

0,595 0,560 0,533 0,515 0,505 0,5

Зависимость изменения значений коэффициентов ослабле-

ния и плотности энергии от высоты расположения заряда для

данного уровня разрушения представлена графически на рис.

2.4,6 и в.

Для иллюстрации выведенных закономерностей ниже при-

водится сопоставительная оценка расчетных и наблюдаемых

уровней разрушения при двух надземных взрывах конденсиро-

ванного ВВ. Один взрыв произошел в производстве аммиачной

селитры в нейтрализаторе азотной кислоты аммиаком, содер-

жащем « 15 т водного 90%-го раствора селитры, эквивалент-

ного № =

5,1

т ТНТ. Залповая повышенная подача смеси азот-

ной и серной кислот привела к закислению плава и снижению

температуры теплового разложения аммиачной селитры, а так-

же к повышению ее температуры. Это привело к взрыву в ней-

трализаторе, установленном на высоте 16 м над уровнем земли.

Схема узла смешения кислот не обеспечивала надежного

контроля за дозированием серной кислоты в емкости азотной

кислоты на складе, отсутствовал необходимый контроль соот-

ношения серной и азотной кислот в смеси, подаваемой в ней-

трализатор, не были предусмотрены необходимые автоматиче-

ские средства защиты по прекращению подачи реагентов в ап-

парат при повышении температуры выше допустимых пределов,

схема замера кислотности плава аммиачной селитры на выходе

из аппарата не была включена в работу.

Взрывом полностью разрушены аппарат (его осколки найде-

ны на расстоянии до 120 м от места его установки) и отделение

нейтрализации; значительные повреждения получили склад

хлорида калия, транспортная галерея, здание ремонта обору-

дования, склад готового продукта, бытовой корпус и другие

здания и сооружения на территории предприятия, показанные

на рис. 2.5.

При наземном взрыве такой массы селитры и значении /?

= 5100'

'= 17,2 м можно было ожидать полного разрушения (со-

ответствующего избыточному давлению ударных волн

ж 100 кПа) в радиусе /? = 65 м; тяжелые повреждения могли

быть в радиусе около Я = 95 м (при избыточном давлении

ж70 кПа). В действительности такие уровни разрушения от-

|У////Л - тяжелые повреждения строительных конструкций

ПТШТТТ]

- частичные повреждения элементов зданий и

сооружений

Рис. 2.5. План-схема уровней разрушений при взрыве аппарата с раствором

аммиачной селитры:

/•—аппараты нейтрализации; 2, 4 — производственные здания; 3 — склад продукц.-ш; .5—

бытовой корпус; 6— склад жидкого аммиака; 7 — ремонтный цех; в —склад хлорида ка-

лия; 9 — пункт приема хлорида калия; 10 — склад и отделение расфасовки; 11 — транспор-

терная эстакада

мечались в радиусах «50 и 76 м соответственно. Это расхож-

дение обусловлено ослаблением ударных волн вследствие не-

полного отражения их от поверхности земли. Коэффициенты

ослабления ударных волн, найденные по формуле (2.3), соста-

вили для условий малого радиуса /?

_1={(65—16): (65+ 16) +1]:

: 2 = 0,802 и большого радиуса /?

=( (95—16): (95+ 16) + 1]: 2 =

= 0,856. Соответственно давление в наземной части сферы в

таких же радиусах могло быть снижено до 80—60 кПа. По най-

денным избыточным давлениям взрыва и графическим зависи-

мостям (см. рис. 1.5) могут быть определены приведенные рас-

стояния и соответствующие значения К в выражении (1.9). По

этим данным можно оценить уровень разрушений от надземных

взрывов.

По формулам (2.5) и (2.6) для надземного взрыва аппарата

нейтрализации определены коэффициенты снижения плотности

энергии в объемах расчетных наземных сегментов сфер радиу-

сом 65 и 95 м, которые соответственно составили:

= 1/(4 65

/(65-

16)

43-65 - (65- 16)]> =0,318;

ку

= (1 + 0,318)/2 = 0,659;

пу= 1/(4-95/(95- 16)»-[3-95- (95- 16)]} =0,395;

=(1 + 0,395)/2 = 0,697,

•га

При таких значениях к

-\ и ^-г радиусы полных (К,) и

тяжелых (/?

) разрушений, найденные по формуле (2.12), при

надземном взрыве соответственно уменьшаются до значений

/?1

=3,8-0,659-5100'''= 43 м и Д

= 5,6

•

0,697-бЮО''^ 67 м. Ниже

приведены значения радиусов уровней разрушения, рассчитан-,

ных для условий наземного (7?

) и надземного (К

Н) взрывов

аппарата нейтрализации, а также характеристика реальных

разрушений (/?„) по зонам для сопоставления с расчетными:

Радиусы

уровней раз-

рушения

Ло Я,

«2 Лз

К,

Яр, М

17,2 65

164 438 960

Ну

0,061

0,318

0,395

0,430

0,453

0,588

ку

0,531

0,659 0,697 0,715 0,727

0,794

ЯрН, м

9,13 43

118 350 710

Ян, м

—

76 130

—

760

Различия в наблюдаемых в значениях /?„ и Р

обусловлены

более низким отражением ударной волны от поверхности земли

при наземном взрыве и большим рассеиванием энергии в верх-

них слоях атмосферы. Рассчитанные значения Я

1г с учетом

высоты расположения заряда точнее отражают уровень реаль-

ных разрушений.

Дополнительные исследования другого описанного ранее

взрыва на технологической установке производства аммиачной

селитры показали, что взрыв произошел в нейтрализаторе и

отдельно (через короткий промежуток времени) в выпарном

аппарате (в нижней его части) и связанном с ним баке по-

гружного насоса, содержащих суммарно около 5 т плава ам-

миачной селитры (концентрацией 99,9%), эквивалентной 1,8 т

ТНТ, и расположенных на уровне земли. На месте установки

погружного насоса при взрыве образовалась воронка диамет-

ром 4,5—5 м и глубиной до 2 м, что характерно для наземного

взрыва конденсированного ВВ. По характеру разрушения ней-

трализатора, расположенного на отметке 16 м, установлено,

что произошел взрыв находящихся в нем 11 т 90%-го раствора

селитры, эквивалентного 3762 кг ТНТ.

В отличие от предыдущей аварии наблюдаемые масштабы

разрушений в этом случае оказались несколько меньшими. Как

показано на рис. 2.6, полному разрушению подверглись отде-

ление нейтрализации и упарки раствора селитры, электропод-

станция, станция сжижения аммиака; значительные поврежде-

ния получили отделение грануляции, производства карбамида,

слабой азбтной кислоты и другие производства в радиусе около

45 м. Наблюдаемые уровни разрушения оказались наиболее

близкими к расчетным для условий наземного взрыва в бачке

погруженного насоса с выпарным аппаратом (/?

рн

). Расчетные

радиусы разрушения для условий наземного взрыва аппарата

нейтрализации (7?

) оказались несколько большими в отличии

-полное разрушение строительных конструкции

-частичные разрушения несущих строительных конструкций

(^Х^М - легкие повреждения элементов строительных конструкций,

разрушение остекления

Рис. 2.6. План-схема уровней разрушений при взрыве плава нитрата аммония

в технологической линии производства аммиачной селитры:

/ — производственные корпуса; 2 — электроподстанция; 3 — станция сжижения аммиака;

4 — отделение сжатия горючего ггза

от реальных уровней разрушения. Ниже приведены значения

радиусов по Уровням разрушения, рассчитанные по условиям

взрыва аппарата нейтрализации при допущении расположения

его на уровне земли (/?„) и на высоте к (Л?

л)> равной 16 м;

выпарного аппарата с бачком погружного насоса (Я

рн

), распо-

ложенного в непосредственной близости от земли, а также на-

блюдаемые уровни разрушения (#

) Для сопоставлений:

Показатели К.

Я,

К.

Яэ

К, Й,

Лр, м

Ну

кч

ЛРЙ, м

Ян. м

15,5 59

150 435

870

0,324

0,335 0,424

0,475

0,495

0,5

0,662 0,667 0,712

0,737

0,748

7,75

60 106

320 645

12,4

47 69 119

346

692

—

65 115

—

Значения /?

н определяли с учетом коэффициента ослабле-

ления ударной волны и снижения уровня избыточного давления

взрыва. По этому давлению (аналогично предыдущему случаю)

по рис. 1,5 определены значения приведенных расстояний и К,

К61горые показывают меньший уровень разрушения в расчетных

зонах в отличие от условий наземного взрыва аппарата нейтра-

лизации.

Приведенные в таблице значения радиусов уровней разру-

шения от надземного взрыва аппарата нейтрализации (К

н)

оказались меньше радиусов тех же уровней разрушения, рас-

считанных по условиям наземного взрыва выпарного аппарата

с бачком погруженного насоса. Этот наземный взрыв вызвал

наибольшие масштабы разрушения, хотя масса аммиачной се-

литры (тротиловый эквивалент) в аппарате нейтрализации бы-

ла значительно больше массы селитры, взорвавшейся на уровне

земли.

Уровнем разрушения подтверждается также то, что взрывы

в аппаратуре технологической линий не совмещались по време-

ни и наложений ударных волн от них не происходило. Это дает

основания полагать, что Для ограничения масштабов разруше-

ния аппаратура со взрывоопасными средами должна разде-

ляться устройствами, исключающими распространение детона-

ции по имеющимся Технологическим связям.

Ёще один вывод состоит в том, что в условиях плотной за-

стройки промышленных предприятий оценка разрушающей спо-

собности и ударных волн должна производиться с учетом воз-

можного их усиления вследствие отражения не только от по-

верхности земли, но и от крупногабаритных тяжелых наземных

препятствий. Оценку эффекта отражения ударных волн от вер-

тикальных тяжелых наземных препятствий можно проводить

по приведенным выше закономерностям их отражения от по-

верхности земли.

Глава 3

СЖАТЫЕ ГАЗЫ

В химической технологии часто приходится преднамеренно

сжимать как инертные, так и горючие газы, затрачивая при

этом электрическую, тепловую или другие виды энергии. При

этом сжатый газ (пар) находится в герметичных аппаратах

различных геометрических форм и объемов. Однако в ряде

случаев сжатие газов (паров) в технологических системах про-

исходит случайно вследствие превышения регламентированной

скорости нагрева жидкости внешним теплоносителем или в ре-

зультате неуправляемой экзотермической Химической реакции

в жидкой фазе, а также других химических превращений с га-

зообразованием без взрывных химических процессов.

При взрывах сосудов под давлением могут возникать силь-

ные ударные волны, образуется большое число осколков, что

Таблица 3.1. Значения Энергии сжатого газа, вычисленные

Давле

адиабаты

0,07

0,8

1,1

0,033

0,7

0,75

5,0

1,96

10,0

15,05

50,0

37,3

100,0

76,6

200

1,2

0,030 0,645 ' 1,65

12,0

26,85

58,7

1,2

0,35 2,5

5,0

25,0 50,0

100,0

1.3

0,0268 0,56

1,41

9,9

21,78

46,95

1.3

0,233

1,67

3,33

16,65 33,3

66,6

1,4

0,0247 0,5 1,24 8,44 18,3

38,0

1,4

0,175

1,25

2,5 12,5

25,0

50,0

приводит к серьезным разрушениям и травмам. При этом об-

щая энергия взрыва переходит в основном в энергию ударной

волны и кинетическую энергию осколков. Составляющие общей

энергии взрыва Е — это энергия волны Е

и кинетическая энер

;

гия Ею которые могут быть определены по уравнениям (1.15)

и (1.16)» Общая энергия взрыва Е может определяться по фор-

муле

Ь=[(Р*-Рг)/(ч- ^)]V

(3.1)

Или. рассчитываться как работа адиабатического расширения

сжатого газа А по формуле

Е-А

(\~Р

/Р

)У , (3.2)

Для технологических объектов с высбкимй значениями па-

раметров сжатых газов и энергетических потенциалов (Е) уро-

вень Опасности можно оценивать по энергетическим балансам

как ударных волн (^

= О,6ч-0,4^), так и разлета осколков

(Е

= 0,44-0.6^),

С использованием принципа подобия взрывов конденсиро-

ванных ВВ = (0,4Ч-0,6)УЕ74520]

' общий энергетический

Потенциал сжатых газов (Е) может быть определен по форму-

лам (3,1) Или (3.2). В качестве примера в табл. 3.1 приведены

значения Е в интервале избыточных давлений от 0,07 до

200 МПа, рассчитанные по (3.2) и (3.1) при показателях адиа-

баты в пределах

1,1 — 1,4.

Из таблицы видны расхождения в

значениях энергии сжатого газа, рассчитанные по этим двум

формулам. В области малых давлений и при низких показате-

лях адиабаты значения энергии, найденные по формуле (3.1),

существенно превышают значения, рассчитанные по формуле

(3.2). В практических расчетах в первом приближении может

быть использована формула (3.1) для газов с показателем

«б