Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

по формулам (3.2) (числитель) и (3.1) (знаменатель) (МЗж/м*)

ние, МПа

100

150

200

121,5

168 216 340 467

729

300,0

400,0

500 750,0

1000,0

1500,0

2000

92,1 126,6 161,5

251,0

342,0

528,8

—

150,0

200,0 250,0

375,0 500,0

750,0

1000

73,3

98,74 125,6

195,3

265,1

397,6

100,0

132,0

165,0 250,0

333.0

499,5

60,4

82,0

104,0

159,0

215,0

328,5

75,0

100,0 125,0

187,5

250,0

375,0

адиабаты >1,4 в области давлений >5 МПа. Для получения

более точной оценки энергетического потенциала сжатых газов

официальными нормативными документами рекомендуется ис-

пользовать формулу (3.2).

3.1. РАЗРУШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СИСТЕМ

СО СЖАТЫМИ ГАЗАМИ

Для оценки разрушающей способности ударных волн от

взрывов сферических емкостей со сжатыми газами (избыточ.-

ного давления и импульса) обычно используют следующие

параметры: начальное давление в сосуде Р\ и начальная тем-

пература 01, атмосферное давление Р

и температура окружаю-

щего воздуха 0о, отношение теплоемкостей ц\

—

Ср/С

, которые

приведены в табл. 3.2; параметры атмосферы принимаются по-

стоянными.

Таблица 3.2. Начальные условия для расчета взрывов

сферических емкостей под давлением

Р|/Яо

в,/во

V-

Р,1Р о

в,/во

5 0,5

1,4

2,5

1,4

5 10,0

1,4

5 50,0

1,4

0,5

1,4

10 50,0

1,4

100

0,5 1,4

100

50,0 1,4

150

50,0

1,4

500

50,0

1,4

94,49

1,0

1,4

94,49

1,2

94,49 0,8 1,7

37000 0,5 1,4

37000

5,0 1,4

37000

10.0 1,4

1000

1,0

1,4

1СОО 4,0

1,7

1000 0,5

1.4

5,0

1,4

5—1006 8!

рического сосуда

Рис. 3.2. Связь между давлением ударной волны и импульсом при взрывах

конденсированного ВВ (Л) и хрупкого сосуда сжатого газа высокого давле-

ния (В)

При высоких значениях давления и температуры изменение

избыточного давления на различных расстояниях от энергоно-

сителя подобно изменению этих показателей в волне, генери-

руемой взрывом высокоэнергетического ВВ. Однако существу-

ют и принципиальные различия между взрывными волнами,

генерируемыми при разрыве сосудов со сжатым газом высо-

кого давления и при взрыве ВВ. При взрыве сосуда в ударной

волне возникает протяженная область отрицательного давления

с большими амплитудой и фазой разрежения; за фазой разре-

жения следует вторая положительная фаза сжатия с достаточно

высоким избыточным давлением. На рис. 3.1 показана осцил-

лограмма давления в волне от взрыва хрупкого сферического

сосуда под давлением. На рис. 3.2 приводится сравнение воз-

действия на объект ударных волн от взрывов конденсирован-

ных ВВ (кривая А) и сосудов со сжатыми газами высокого

давления (кривая В). Здесь I — импульс, равный разности сум-

марного импульса двух положительных фаз и импульса отри-

цательной фазы сжатия для конкретных временных показа-

телей.

Для оценки последствий взрыва систем со сжатыми газами

могут быть использованы показатели разрушающей способно-

сти взрывов конденсированных ВВ. Для этого применяют без-

размерные предельные показатели конденсированных ВВ:

Р = Р/Р

; Т

« ^

1/з/51/3; 1 = ^1/3/^1/3; 7 = 1а

/ {Е^РщЧ*) ,

(3.3)

которые выражаются через функции ^ (Р

, у{, а

{

, /,•), зави

сящие от безразмерных комбинаций переменных:

я. = /уя

; К

;

= КР

1/3/Р/3; а,я

в1

/в,; Ё = Е/(Е*'*а

V*), (3.4

где 1

— время до прихода ударной волны; I — продолжительность положи

тельной фазы; ч — отношение теплоемкостей газа в источнике;

Р<

— давлени

в источнике; щ — скорость звука в источнике;

<?г

— скорость энерговыделения

оо

ь б 10° г к

Рис. 3.3. Расчетные зависимости

безразмерных параметров

для взрывающихся сферических со-

судов со сжатыми газами (ВВ —

пенталит)

/; — безразмерный параметр, опи-

сывающий геометрию источника;

индексы 0 и 1 относятся к окру-

жающей среде и источнику до

взрыва,

При оценке разрушаю-

щей способности сосудов со

сжатыми газами пренебре-

гают влиянием осусолков на

взрывную волну, а учиты-

вают лишь уменьшение

энергии взрыва на величи-

ну кинетической энергии ос-"

колков. Кроме того, прини-

мают, что отрицательный

удельный импульс близок

по абсолютному значению к

положительному. При взрывах высокоэнергетических ВВ отри-

цательный импульс пренебрежимо мал по сравнению с поло-

жительным.

Как уже отмечалось, для определения избыточного давления

ударной волны и импульса необходимо иметь исходные данные;

начальное давление Р\, температуру 0) и отношения теплоем-

костей ч газа, находящегося в сосуде. Параметры среды (атмо-

сферы), в которой распространяется ударная волна, принима-

ются постоянными (Р

, а

, -(о). Проведенные расчеты показы-

вают, что при высоких значениях давления и температуры из-

менения избыточного давления (текущего значения Р

) с рас-

стоянием Р подобно таковому во взрывной волне конденсиро-

ванного ВВ. На рис. 3.3_показана взаимосвязь этих параметров

в безразмерном виде (Р*—Л). Кривые Р

{Н) для больших

начальных давлений и температур расположены близко друг

к другу и имеют характер, аналогичный характеру кривой для

конденсированного ВВ.

В момент взрыва сферы давление воздуха за ударной вол-

ной максимально на поверхности контакта газовой сферы и

воздуха. Связь между давлением в сфере и давлением за удар-

ной волной может определяться зависимостью

Рг/Р

= ~

(у - 1) (ад/а») (Р

/Р„- 1)

"1/27О[2?О+(УО+1)(Р

О/Р

- 1)]/

2У1

71—1

(3.5)

"де Р —безразмерное давление в воздушной ударной волне в момент

ззрыва; Р\/Ро— безразмерное давление в сфере; Со/а

(

—отношение скоростей

шука.

Рис. 3.4. Зависимости безразмерных значений скорости звука а и давления

взрыва Я при различных безразмерных текущих давлениях окружающей сре-

ды Р

При известных значениях безразмерных радиусов сферы Н\

и давления Р

за ударной волной в момент взрыва можно на-

нести соответствующую им точку на рис. 3.3, а для получения

избыточного давления на любом другом расстоянии от центра

сферы необходимо из нанесенной точки провести линию, парал-

лельную близлежащей. Величина Н\ получается из соотноше-

ний

VI — ' 3 Тх — 1

Давление за ударным фронтом Я

/Р

при Р = Р

{

определяется

по формуле (3.5). На рис. 3.4 приведен набор зависимостей Р (а)

для различных значений Р

(при у — 1,4).

Значения удельных импульсов рассчитывают по зависимостям

Т(В), где

= 1а

/(Р

2/3

Е'''). Для некоторых начальных условий,

приведенных в табл. 3^2, эти зависимости выражаются графи-

чески (рис. 3.5). Для Н^0,5 все значения I отличаются не бо-

лее чем на 25% от соответствующей величины для конденсиро-

ванного ВВ.

3.2. ВЗРЫВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

СО СЖАТЫМИ ГАЗАМИ

3.2.1. Взрывы сферических емкостей больших объемов

На промышленных предприятиях нейтральные (негорючие)

сжатые газы — азот, диоксид углерода, фреоны, воздух —

в больших объемах находятся главным образом в сферических

ял

Рис. 3.5. Зависимости безразмерных значений импульса » от расстояний Я.

I -» для взрывающихся газовых сфер; 2 — для конденсированного ВВ (певталита); 3 — для

взрывающихся газовых сфер при малых значениях Я (<0,5)

газгольдерах высокого давления. 9 июля 1988 г. произошел

взрыв такого шарового газгольдера сжатого воздуха объемом

600 м

(радиус сферы 5,25 м), изготовленного из стали толщи-

ной стенки 16 мм и рассчитанного для работы под давлением

0,8 МПа. Взрыву газгольдера (происшедшему при давлении

2,3 МПа) предшествовало медленное повышение давления до

предела текучести стали, из которой он был изготовлен.

Шаровой газгольдер входил в состав технологического агре-

гата производства карбамида, введенного в эксплуатацию в

апреле 1988 г. Воздух в газгольдер поступал из общей завод-

ской технологической линии через обратный клапан и арматуру.

Газгольдер не был оборудован средствами сброса давления,

так как максимально возможное давление воздуха (0,8 МПа)

в нем обеспечивалось его стабилизацией в технологической сис-

теме и характеристиками воздушных компрессоров типа

ВП-50-8. Контроль давления осуществлялся показывающим по

месту и регистрирующим манометрами на пульте управления.

Из газгольдера воздух поступал по системе трубопроводов

на технологические нужды, в том числе в отделение очистки

С0

от горючий примесей. В это отделение воздух из газголь-

дера отводился по трубопроводу диаметром 150 мм в нагнета-

тельную линию турбокомпрессора С0

типа «Бабета», работа-

ющую под Давлением 2,3 МПа и являющуюся одновременно

приемной линией дожимного до 10,0 МПа поршневого компрес-

сора (4ДВК-210-10); подводимый воздух предназначался для

продувки системы компримирования и через нее технологиче-

ской линии от С0

перед ремонтом.

ШШШШ

- полное разрушение ^ ^

У////Л

- легкие разрушения строительных конструкций

]

- повреждение стекол и оконных заполнений

+ ++++- эстакады

Рис. 3.6. План-схема разрушений от взрыва сферического газгольдера сжатого

воздуха объемом 600 м® при давлении 2,3 МПа:

/, // — шаровые газгольдеры сжатого технологического воздуха и воздуха КИП; /// —

газгольдер сжатого азота; IV— эстакады технологических трубопроводов; V —здание ка-

талитической очистки; VI — газгольдер мокрый; VII — здание хлораторной и КИП; VIII —

помещение насосной; IX — градирни; X, XI — складские здания; XII — эстакада трубо-

проводов пара; XIII — здание котельной; XIV — склад пиломатериалов; 1—20 — места рас-

положения фрагментов разрушенного газгольдера (их характеристики приведены в

табл. 3.4)

Радиусы зон

поражения, м

По «1 «2 Яз «4 Я»

расчетные 6,Об 19,2 28,5 49 142 285

наблюдаемые — 10 30 20—80 100 —230 До 2500

По окончании ремонта технологической установки был

включен турбокомпрессор С0

и через 10 мин при достижении

давления в линии нагнетания 2,3 МПа был включен поршневой

компрессор с регулировкой на режимное давление 10,0 МПа.

После пуска центробежного компрессора С0

давление в воз-

Таблица 3.3. Характеристика уровней разрушения объектов

от взрыва газгольдера сжатого воздуха

№

объекта

Наименование

объекта

Расстояние

от места

взрыва, м

Давление,

кПа

Характеристика разрушений

I Шаровой газголь- —

дер сжатого воз-

духа

II Газгольдер шаро- 10

Вой сжатого воз-

духа для КИП

(600 мз)

III Газгольдер азота 10

(600 м>)

IV Эстакады техноло-

гических трубо-

проводов

2300

330

15—20 92—36

V Здание каталити- 2й

ческой очистки га-

за

VI Мокрый газголь- 30

дер С0

(6000 м

)

VII Помещения хлора- 100

торной и КИП

VIII Помещение насос- 100

ной водооборотно*

го цикла

IX Трехсекционные 150

Закрытые градир-

ни

X Складское здание 170

извести

Корпус разрушен на многочис-

ленные осколки; оборваны

фундаментные болты крепле-

ния стоек и трубопроводы

Сорван с опор и опрокинут;

оборваны, деформированы три

стойки (опоры); оборван шту-

цер ввода воздуха с частью

корпуса сферы 0=0,5 м

Разрушены щит управления,

лестница и площадка обслу-

живания, деформирован кол-

лектор (трубопровод) азота

Осколками оболочки газголь-

дера разрушены отдельные ко-

лонны, консоли, балки, травер-

сы и металлоконструкции,

а также технологические тру-

бопроводы кислорода, воздуха,

азота, конденсата и арматура

на этих трубопроводах

Разрушено крепление 37 сте-

новых панелей, обращенных к

месту взрыва; панели отошли

от плоскости стены; отдельные

стеновые плиты и 12 плит пе-

рекрытия имели большие тре-

щины

Деформированы стенки сталь-

ной оболочки и крыши корпу-

са; аппарат смещен в сторону

места взрыва, по-видимому,

в момент формирования отри-

цательной фазы взрыва (обра-

зование вакуума)

0,33 Разрушены крепления 8 стено-

вых панелей; в помещении

КИП разрушено 10 пог. м па-

рапета

0,33 Разрушено крепление 7 стено-

вых панелей (панели вышли

из плоскостей стены)

2,5-Ю

-2

Разрушены металлическая изо-

ляция градирен (по-видимому,

в момент действия отрицатель-

ной фазы взрыва)

6,85 Ю

-2

Осколками газгольдера разру-

шены угол здания и часть

крыши здания (да 58%)

Продолжение табл. 3.3

№

объекта

Наименование

объекта

Расстояние

от места

взрыва. м

Давление,

кПа

Характеристика разрушений

XI Здания отгрузки 225

карбамида

ХН Эстакады трубо-

проводов пара

диаметром 300,

530 и 219 мм

XIII Здание Котельной 230

XIV Склад пвломате- 300

риалов

2,86-10"

Осколками оболочки газголь-

дера разрушены железобетон-

ные колонны и три плиты, сте-

новые панели

225 2.88

- Ю

Магистральные трубопроводы

сброшены с опор и разрушены

при воздействии осколков обо-

лочки газгольдера

2,8-10~

Смещены на несколько санти-

метров плиты парапета крыши;

по фронту ударной волнь* пол-

ностью разрушено остекление

1,13-10~

Полн9Стью разрушено остек-

ление и частично оконные за-

полнения, малопрочные строи-

тельные конструкции (легкие

перегородки, дверные проемы)

душном газгольдере стало возрастать; при этом манометр со

шкалой до 0,8 МПа на пульте управления «зашкалило». Диок-

сид углерода через неплотно закрытый вентиль из нагнетатель-

ного трубопровода работающего центробежного компрессора

по воздушной линии поступал в воздушный газгольдер, Давле-

ние газа в газгольдере возрастало в течение 4 ч, что привело

к разрушению газгольдера от превышения давления.

'Поступление С0

в воздушный газгольдер подтверждается

снижением температуры воздуха до 0°С за счет дросселирова-

ния С0

с давления нагнетания центробежного компрессора до

давления в газгольдере. На рис, 3.6 показана картина послед-

ствий взрыва сферического газгольдера сжатого воздуха, Рим-

скими цифрами обозначены обьекТЫ, подвергшиеся разруше-

ниям от воздействия воздушной ударной волны и разлетающих-

ся тяжелых осколков оболочки газгольдера. Характеристика

этих разрушений приведена в табл. 3.3 и показана на рис, 3.7,

В областях низких Давлений ударной Волны разрушено ДО

100% остекления а шести производственных зданиях, находя-

щихся на расстоянии 1000^=1500 й от места установки взорвав-

шегося газгольдера; незначительные повреждений остекления

(до 10%) отмечались в домах жйлыХ кварталов, расположен-

ных а 2500 м От места взрыва.

большую опасность ПреДсТайлйли разлетающиеся оСКОЛКИ

ОбОлОчКи газгольдера. Характеристика разлетающихся оскол-

кой сферы, Показанных на рис. 3.6, приведена в табл. 3.4

—

20 —номера осколков в соответствии с рис. 3.6).

Для Примера На рис. 3.8 показаны фрагменты взорвавшегося

РазГОльДера сжатого вОзДуха, которые 8 табл. 3.4 и на рис. 3.6

ИМеЮТ номера 2 И 4. Такие осколки могут привести к смертель-

Рис. 3.7. Общий вид производственной площадки после взрыва газгольдера

[/ — первоначальное место расположения взорвавшегося газгольдера; 2, 3 —

газгольдеры сжатого азота и сжатого воздуха КИП; 4 — газгольдер жидкост-

ного типа (к моменту взрыва был свободен, при взрыве по основанию был

смещен на 450 нм в напра!влении места взрыва)] и обрушившаяся трубопро-

водная эстакада

ным травмам, сильным разрушениям зданий, сооружений, ап-

паратуры и оборудования и, как следствие, к цепному развитию

аварии до катастрофических масштабов.

По характеристикам разлета осколков может быть опреде-

лена доля энергии взрыва, переходящая в энергию движения

осколков. Доля энергии взрыва, затрачиваемая на формирова-

ние ударной волны, определяется по общим уровням разруше-

ЙР

Рис. 3.8. Фрагменты (см. табл. 3.4) разрушенного газгольдера

ния объектов. Для описанного выше взрыва рассчитанный по

формулам (3.1) и (3.2) общий энергетический потенциал сжа-

того воздуха при условиях, предшествовавших взрыву, составит

соответственно 970 и 500 кг ТНТ. При расходе энергии взрыв;

на образование.ударной волны, равном 0,6, по закону кубиче

, ского корня определены расчетные уровни разрушения на со

ответствующих расстояниях от места установки газгольдере