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
2
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
3
(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
2
, 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
3
. 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.
71
Следует обратить внимание на высокую чувствительность
диазосоединений к тепловым источникам инициирования; пыли
их взрывоопасны: имеют НКПВ—18,5 г/м
3
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
Ш
представляет
собой отраженную волну при надземном взрыве, площадь этой
сферы пропорциональна усилению ударной'волны в верхней
части сферы 5
П
. 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
Ш
. Соотношение площадей малой сферы 5
1И
и большой
верхней 5ц я = 5
ш
/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
5
=(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
3
= (1 + п)/§. Графиче-
Рис. 2.3. Схематическое изображение удар-
пых волн при надземном взрыве Конденси-
рованного ВВ
П
екая зависимость значений п
5
и к
5
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
3
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
5
= 0,5—1; граничным значениям кз
соответствуют наземный взрыв при
/1
=
0
и надземный при
К = к.
По графической зависимости АР = \{Я/№
4
') 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:
Н
у
=У
т
/(У
ш
-У
ш
), (2.4)
где VIII — объем малого сегмента; У
ш
-—полный объем шаровой сферы.
Выражая значения объемов сегментов через радиус вы-
соту расположения заряда над уровнем земли к и высоту ма-
лого сегмента
к
с
{к
с
—
/?]—к),
получаем:
Н
У
= Щ*/1Ь\(ЗК-Н
С
)]. (2.5)
Коэффициент снижения объемной плотности энергии взрыва
с изменением высоты расположения заряда над уровнем земли
ку определяется зависимостью
(1
+ ^/2). (2.6)
73
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
5
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
В
= 0,84- + +0,7 (2.7)
наземный взрыв
ДР
Н
= 0,1 -У!?/!* +0,43-^Р/Д
2
+ 1.4-1У/Я
3
. (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
2
):
4
1=\№
2
/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=
1
и Я =
= плотность энергии будет равна УР/К
3
(в единицах массы
тротилового эквивалента, отнесенной к объему заданной сферы
взрыва). В этом случае для условий надземного взрыва можно
записать:
Д = Д
0
= 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),
74
(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
к
5
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 /?
0
=
= 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-
75
|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 /?
5
_1={(65—16): (65+ 16) +1]:
: 2 = 0,802 и большого радиуса /?
5
_
в
=( (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:
я
и
= 1/(4 65
3
/(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;
й
к
=(1 + 0,395)/2 = 0,697,
•га
При таких значениях к
У
-\ и ^-г радиусы полных (К,) и
тяжелых (/?
2
) разрушений, найденные по формуле (2.12), при
надземном взрыве соответственно уменьшаются до значений
/?1
=3,8-0,659-5100'''= 43 м и Д
2
= 5,6
•
0,697-бЮО''^ 67 м. Ниже
приведены значения радиусов уровней разрушения, рассчитан-,
ных для условий наземного (7?
р
) и надземного (К
Р
Н) взрывов
аппарата нейтрализации, а также характеристика реальных
разрушений (/?„) по зонам для сопоставления с расчетными:
Радиусы
уровней раз-
рушения
Ло Я,
«2 Лз
К,
К,
Яр, М
17,2 65
95
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
67
118 350 710
Ян, м
—
50
76 130
—
760
Различия в наблюдаемых в значениях /?„ и Р
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
р
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?
р
) оказались несколько большими в отличии
77
-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?
Р
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 (#
н
) Для сопоставлений:
Показатели К.
Я,
К.
Яэ
К, Й,
Лр, м
Ну
кч
ЛРЙ, м
М
Ян. м
15,5 59
87
150 435
870
0
0,324
0,335 0,424
0,475
0,495
0,5
0,662 0,667 0,712
0,737
0,748
7,75
39
60 106
320 645
12,4
47 69 119
346
692
—
45
65 115
—
—
Значения /?
Р
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,
76
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
Р
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
79
Таблица 3.1. Значения Энергии сжатого газа, вычисленные
Давле
адиабаты
0,07
0,8
1
5
10
20
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
р
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
1
Е-А
Г
Р
1
У
1
(\~Р
0
/Р
1
)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 (^
,
р
= О,6ч-0,4^), так и разлета осколков
(Е
к
= 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