2.4. Параметры взрыва в замкнутом объеме

Основными параметрами , характеризующими процесс взрыва в замкнутом объеме газа-, паравоздушных смесей являются:

•максимальное давление взрыва;

•скорость нарастания взрыва;

•температура взрыва;

•время достижения максимального давления взрыва.

Взоне А происходят интенсивный подогрев горючей смеси, диф­ фузия активных центров и протекание химической реакции. Эта зона

характеризуется распространением фронта пламени по горючей га­ за-, паравоздушной смеси. Фронт пламени часто рассматривают как

поверхность, разделяющую холодную горючую смесь и горячие про­

дукты сгорания.

Скорость перемещения фронта пламени по горючей смеси опре­ деляет интенсивность процесса горения и является его важнейшей

характеристикой.

Установлено, что на единице поверхности фронта пламени в еди­ ницу времени сгорает одно и то же количество горючей смеси. Рас­ пространение невозмущенного пламени произвольной формы проис­ ходит в каждой точке фронта по нормали к его поверхности. Ско­ рость перемещения пламени называется нормальной скоростью пламени и является постоянной величиной, характеризующей горе­ ние какого-либо газа.

В зоне Б наблюдается резкое изменение давления до Ртах за счет образования большого количества газообразных продуктов в резуль­ тате химической реакции. При достижении максимального давления

возникает взрыв, причем Рвзрыва > Ртах·

2.5. Тепловое действие взрыва

Тепловое воздействие при взрыве оказывает сильное поражаю­ щее действие. Взрывы ракетных топлив или химических продуктов,

разрывы сосудов с последующим взрывом облака паров в ограничен­

ном или открытом объеме, горение жидкостей в открытых резервуа­

рах, детонация бризантных ВВогненногои ядерные взрывы - все эти явления

могут привести к образованию шара.

При взрыве газовых емкостей с последующим горением выходя­

етщих в атмосферу продуктов образующийся огненный шар увеличива­

разрушающее действие взрыва на оборудование и nредметы . По-

следствия действия такого огненного шара, в случае взрывов емкостей

сперегретой горючей жидкостью очень серьезны. Наличие большой массы жидкости в момент взрыва и характер ее распространения вне емкости определяют продолжительность горения и размер образовав­ шегося огненного шара. Наиболее опасные взрывы чаще всего проис­ ходят на железнодорожном транспорте. Примером являются аварии с железнодорожными цистернами (описание одной из которых см. на

с. 183). Огненный шар, образовавшийся от одной из потерпевших ава­ рию железнодорожных цистерн в США вместимостью 88 м3, охватил участок поверхности земли радиусом 60 м и воспламенил горючие ма­ териалы в радиусе 350 м.

Огненный шар, возникший 2 1 .06. 1970 г. (штат Иллинойс, США) в результате взрыва автоцистерны, вмещавшей 1 20 м3 сжиженного газа, имел диаметр 1 80 м при разливе горючего в количестве 68 т.

Облако пара, образовавшееся при разливе горючего и смешанное

своздухом в соотношении выше верхнего концентрационного преде­ ла воспламенения, не способно к объемному взрыву. Оно может на­ чать гореть вокруг своей внешней оболочки, вытягиваясь и образуя огненный шар. Эмпирические формулы, предсказывающие ориенти­ ровочно размер и время существования такого огненного шара, име­ ют следующий вид:

(2.5)

где 'ts - время существования огненного шара, с.

Действие теплового излучения зависит не только от энергии вы­ броса, но и от скорости, с которой происходит выброс, т. е. от его мощности. Если энергия выброса - линейная функция т, а время, в течение которого происходил выброс, - функция т113 согласно (2.6), то мощность, выделившаяся при сгорании огненного шара (Рош• Вт), составит

198 Раздел 2. Взры в

массы. Физически это объясняется тем, что более горячий объект бы­ стрее излучает свою энергию по сравнению с более холодным.

Для определения максимального диаметра (d5, м) и времени жиз­ ни огненного шара (t5, с) рекомендуются также следуюшие эмпири­

больших масс горючего и если при их горении температура достигает nримерно 3600 К. Формула (2. 1 3) nрименяется лишь в тех случаях, когда масса горючего вещества не nревышает 1 О кг.

Пример расчета по этим формулам с использованием закона по­ добия, выраженного формулами (2.8)-(2. 10), приводится в практиче­ ских работах раздела 3.

Для оценки теплового излучения огненного шара на различных расстояниях используются зависимости, графически nредставленные на рис. 2.5. Их можно nрименять nри анализе взрыва перегретой лег­ кокипящей горючей жидкости или любого другого сильного взрыва.

ветствующие разн ы м областя м

где 0,3 - доля энергии теплового излучения в общем энерговыде­

лении.

За время существования огненного шара облучаемая им единич­ ная поверхность будет получать энергию qг, которую можно вычис­

лить из следующих выражений:

Отсюда

rs = 1 ' 72 · 104 · mу213 - гг 112 м•

Тепловое излучение ослабляется атмосферой, причем не одина­ ково в разных местах в течение суток и даже часа. Эффект ослабления

nредлагается учитывать коэффициентом (Л.) по следующей формуле

Формула (2. 1 8) учитывает ослабление теплового излучения с рас­ стоянием при относительной влажности воздуха 50 %. С nовышением влажности эффект ослабления увеличивается.

ния, nриводящие к уменьшению расчетных величин по крайней мере

вдва раза, являются результатом:

1 ) появления значительных ошибок при предсказании доли раз­ лития жидкости, образующей огненный шар;

2) трехмерности фигуры, на которую попадает излучение. Напри­ мер, человек - это неподвижная плоская поверхность, ориентиро­ ванная на 90• к направлению излучения;

3) подхода к вопросу, основанного на опытах с ядерным оружием. Применительно к тепловым импульсам от огненных шаров с дли­ тельностью 1 0-20 с (характерно для огненных шаров, образованных углеводородами) человек, если успеет полностью отвернуться, то по­ лучит ожоги долее низкой интенсивности, но распределенные по

большей площади тела.

Пример. Огненный шар, образовавшийся в результате сгорания около 1 0 т nponaнa nри аварии 9 марта 1 972 г. в Линчберге (США), имел радиус, nримерно равный 60 м. На расстоянии 90 м привел к ги­ бели одного человека. И на расстоянии 140 м вызвал тяжелые ожоги у трех очевидцев случившегося. Один смертельный случай зарегистри­ рован на расстоянии 1 30 м. На этом же расстоянии были поражены еще два человека, но не смертельно.

Итак, огненный шар, образовавшийся в результате сгорания го­ рючих газов, паровоздушных смесей имеет сильное поражающее воз­ действие на человека и техносферу.

где Pmax - максимальное давление взрыва стехиометрической газо­ воздушной или паравоздушной смеси в замкнутом объеме, опреде­ ляемое экспериментально или по справочным данным. При отсутст­ вии данных допускается принимать Pmax равным 900 кПа;

р0 - начал ьное давление, кПа (допускается принимать равным

101 кПа);

т - масса паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей ( ГЖ), вышедших в результате расчетной аварии в поме­ щение, кг;

Z - коэффициент участия горючего во взрыве, который может быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в объеме помещения согласно табл. 3. 1 .

V- свободный объем помещения, м3 (допускается принимать

св

3.1. Методи ка расчета и зб ыточ но го давлен ия вз ры ва горюч их газов . . . 205

Pr.n - плотность газа или пара при расчетной температуре,

кг · м-3;

-стехиометрическая концентрация паров Л ВЖ, % об.;

иКн - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения<рсх Кннеадиабатичность процесса горения. Допускается принимать

равным трем.

где М - молярная масса, кг · кмоль-1 ;

V0 - мольный объем, равный 22,4 1 3 м3 • кмоль-1 ; tP - расчетная температура, ·с.

В качестве расчетной температуры следует принимать максималь­ но возможную температуру воздуха в данном помещении в соответст­ вующей климатической зоне или максимально возможную темпера­ туру воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации. Если такого значе­ ния расчетной температуры tP по каким-либо причинам определить не удается, допускается принимать ее равной 6 1 ·с.

Стехиометрическая концентрация

Стехиометрическую концентрацию горючих газов (ГГ) или паров

где пс, пн , п0, пх - число атомов С, Н , О и галоидов в молекуле горю­ чего.

206 Раздел 3 . П рогнозная о цен ка п оследстви й взры ва

Расчет 11р для других индивидуальных веществ, кроме упомяну­

где Нт - теплота горения, Дж · кг-1 ;

Рв - плотность воздуха до взрыва при начальной температуре Т0, кг · м-3'·

СР - теплоемкость воздуха, Дж · кг-1 • к-1 (допускается прини-

мать равной 1 ,0 1 · 103 Дж · кг-1 • к-1);

р0 - начальное давление, кПа (допускается принимать 1 0 1 кПа);

т- масса горючих веществ, вышедших в помещение в результате

аварии, кг;

Z - коэффициент участия горючего во взрыве, который может быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в объеме помещения согласно табл. 3. 1 ;

Vсв - свободный объем помещения, м3 (допускается принимать

равным 80 % от геометрического объема помещения);

Кн - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения

и не адиабатичность процесса горения. Допускается принимать Кн равным трем.

Т0 - начальная температура воздуха, К.

Масса горючего газа

Масса горючего газа, поступившего в помещение при расчетной аварии, определяется по формуле

где Va - объем газа, вышедшего из аппарата, м3;

V , . - объем газа, вышедшего из трубопроводов, м3.

Pr - плотность горючего газа, кг · м-3.

При этом

(3.7)

где р 1 - давление в аппарате, кПа; V - объем аппарата, м3;

(3.8)

где q - расход газа, определяемый в соответствии с технологическим

регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диамет­

ра, температуры газовой среды и т. д., м3 • с-1 ; Т - время до отключения трубопровода, с.

(3. 1 О)

где р2 - максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа;

r - внутренний радиус трубопроводов, м;

L - длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

Масса паров жидкости

Масса паров жидкости, поступивших в помещение при наличии нескольких источников испарения (поверхность разлитой жидко­ сти, поверхность со евеженанесенным составом, открытые емкости и т. п.), определяется из выражения:

(3. 1 1 )

где тР - масса жидкости, испарившейся с поверхности разлива, кг;

темк - масса жидкости, испарившейся с поверхностей открытых

емкостей, кг;

тсв.окр - масса жидкости, испарившейся с поверхностей, на кото­

рые нанесен применяемый состав, кг.

При этом каждое из слагаемых в формуле (3. 1 1 ) определяется по

Интенсивность испарения паров

Интенсивность испарения W определяется по справочным и экс­

периментальным данным. Для не нагретых выше температуры окру­ жающейnoсреды ЛВЖ (при отсутствии данных) допускается рассчиты­ вать W формуле

(3. 1 3)

где 11 - коэффициент, принимаемый по табл. 3.2 в зависимости от

скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испа­ рения;

Если аварийная ситуация связана с возможным поступлением жидкости в распыленном состоянии, то она должна быть учтена вве­ дением дополнительного слагаемого, учитывающего общую массу по­ ступившей жидкости от распыляющих устройств, исходя из продол­ жительности их работ.

В случае наличия в помещении горючих газов, легковоспламе­ няющихся или горючих жидкостей при определении значения массы горючих паров или газов допускается учитывать работу аварийной

вентиляции. Она должна быть обеспечена резервными вентилятора­ ми, автоматическим пуском, если имеется превышение предельно до­ пустимой взрывобезапасной концентрации и электроснабжение по первой категории надежности. Устройства для удаления воздуха из

помещения должны быть расположены в непосредственной близости от места возможной аварии.

где К03 - доля отложившейся в помещении пыли, способной перейти во взвешенное состояние в результате аварийной ситуации. При от­ сутствии экспериментальных сведений о величине К83 допускается принимать К83 = 0,9;

т" - масса отложившейся в помещении пьmи к моменту аварии, кг.

Расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, тав (кг), определяется по формуле:

(3. 18)

где тап - масса горючей пыли, выбрасываемой в помещение из аппа­ рата, кг;

q - производительность, с которой продолжается поступление пылевидных веществ в аварийный аппарат по трубопроводам до мо­

мента их отключения, кг · с-1 ; Т - время отключения, с;

К" - коэффициент пыления, представляющий отношение массы взвешенной в воздухе пыли ко всей массе пыли, поступившей из ап­ парата в помещение. При отсутствии экспериментальных сведений о величине К" допускается полагать: для пылей с размером не менее

350 мкм - К" = 0,5; для пылей менее 350 мкм - К" = 1 ,0.

Масса пыли, отложившейся в помещении к моменту аварии , оп­ ределяется по формуле:

(3. 19)

где Кг - доля горючей пыли в общей массе отложений пыли;

т1 - масса пыли, оседающей на труднодоступных для уборки по­

верхностях в помещении за период времени между генеральными уборками, кг;

т2 - масса пыли, оседающей на доступных для уборки поверхно­ стях в помещении за период времени между текущими уборками, кг;

Ку - коэффициент эффективности пылеуборки. Принимается при ручной пылеуборке:

сухой - 0,6; влажной - 0,7.

При механизированной вакуумной уборке:

пол ровный - 0,9;

пол с выбоинами (до 5 % площади) - 0,7.

Под труднодостуnными для уборки nлощадями nодразумевают та­ кие nоверхности в nроизводственных nомещениях, очистка которых

осуществляется только nри генеральных уборках nыли. Достуnными

для уборки местами являются nоверхности, nыль с которых удаляется в nроцессе текущих уборок (ежесменно, ежесуточно и т. n.).

Масса nыли т; (i = 1 ,2), оседающей на различных nоверхностях в

где М; = 2j. M1i - масса nыли, выделяющаяся в объем nомещения за

nериод времени между генеральными nылеуборками, кг;

Mlj - масса nыли, выделяемая единицей nылящего оборудования за указанный nериод, кг;

М2 = 2j. М2i - масса nыли, выделяющаяся в объем nомещения за

nериод времени между текущими nылеуборками, кг;

M2i - масса nыли, выделяемая единицей n ылящего оборудова­ ния за указанный nериод, кг;

а - доля выделяющейся в объем nомещения nыли, которая уда­ ляется вытяжными вентиляционными системами. Приа = отсутствии

эксnериментальных сведений о величине а nолагают О;

1 , 2 - доли выделяющейся в объем nомещения nыли, оседаю­ щей соответственно на труднодосту= nных и достуnных для уборки nо­

верхностях nомещения ( 1 + 2 1). При отсутствии сведе= ний= о вели­ чине коэффициентов 1 и 2 доnускается nолагать 1 1, 2 О.

3.3. Методика расчета избыточного давления

взрыва горючих газов, паров Л ВЖ и ГЖ

воткрытом пространстве

Методика расчета избыточного давления взрыва горючих газов, nаров легковосnламеняющихся и горючих жидкостей в открытом nространстве состоит из следующих этаnов:

• расчета массы горючего газа, горючих nаров и сжиженных угле­

водородных газов, nостуnивших в окружающее nространство;

1 4*