ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 7

Практическая работа № 7

Расчёт степени разрушения промышленных объектов при взрыве

топливо-воздушной смеси (ТВС)

Причиной взрывов и пожаров часто является образование топливо-воздушных смесей. Такие взрывы возникают как следствие разрушение ёмкостей с газом , коммуникаций, агрегатов, трубопроводов или технологических линий. При разрушении агрегатов или коммуникаций возможно истечение газов или углеводородных продуктов, что приводит к образованию взрыво- или пожароопасной смеси. Взрыв такой смеси происходит при определённой концентрации газа в воздухе. Например, если в 1 м³ воздуха содержится 21 л пропана, то возможен взрыв, если 95 л – возгорание.

Значительное число аварий связано с разрядами статического электричества, которое является следствием электролизации жидкостей и сыпучих веществ при их транспортировки по трубопроводам, когда напряжённость электрического поля может достичь величины 30кВ/см. Разность потенциалов между телом человека и металлическими частями оборудования может достигать десятков киловольт.

Сильным взрывам пылевоздушной смеси (ПлВС), как правило, предшествуют локальные хлопки внутри оборудования, при которых пыль переходит во взвешенное состояние с образованием взрывоопасных концентраций. В закрытых аппаратах создаётся инертная среда, обеспечивается достаточная прочность аппарата и противоаварийная защита. До 90 % аварий связано со взрывом парогазовых смесей (ПрГС), при этом до 60 % таких взрывов происходит в закрытой аппаратуре и трубопроводах.

Ацетилен в определённых условиях способен к взрывному разложению при отсутствии окислителей. Выделяющейся энергии достаточно для разогрева продуктов реакции до температуры 2800 ⁰С. При взрыве скорость распространения пламени достигает нескольких метров в секунду. Наиболее опасны в эксплуатации аппараты и трубопроводы высокого давления ацетилена (0,15-2,5 МПа) так как при перегревах может возникнуть взрыв, переходящий при большой длине трубопровода в детонацию. Максимальная скорость распространения пламени при горении ацетилено-воздушной смеси, содержащей ацетилена 9,4 %, равна 1,69 м/с. Смесь ацетилена с хлором и другими окислителями может взрываться под действием источников света.

При ручном вскрытии железных барабанов с карбидом кальция происходит искрообразование, что приводит к взрывам.

Пропан-бутан значительно тяжелее воздуха и собирается в нижней части помещения, где может образоваться взрывоопасная смесь даже при малых утечках. При испарении 1 л сжиженного газа образуется около 250 л газообразного. Плотность газовой фазы в 1,5–2,0 раза больше плотности воздуха. При утечках газ с трудом рассеивается в воздухе, особенно в закрытом помещении.Газ пропан-бутан, а также продукты его неполного сгорания токсичны. Наличие газа в воздухе в количестве от 1,8 до 9,5 % от объёма при открытом огне или искре может стать причиной взрыва большой разрушительной силы.

Взрыв пропан-бутана сопровождается высокотемпературным выбросом пламени. При взрыве образуется ВУВ, которая разрушает здание или отдельные его части. Возможно образование новых очагов пожаров и взрывов. При взрыве баллона с пропан-бутаном в очаге пожара возможно образование огненного шара диаметром до 10 м.

При взрыве ТВС образуется очаг поражения с ударной волной и световым излучением (огненный шар). В очаге взрыва ТВС выделяются три сферические зоны (рис.1).

Зона 1 – зона детонационной волны, находится в пределах облака взрыва. Радиус зоны определяется формулой:

R₁ = 17,5 ∙, (1)

где, R₁ – радиус зоны 1; Q – масса сжиженного газа, т.

В пределах зоны 1 избыточное давление считается постоянным равным 100 кПа.

Зона 2 – зона действия продуктов взрыва, которая охватывает всю площадь разлёта продуктов взрыва ТВС в результате её детонации. Радиус зоны 2 в 1,7 раза больше радиуса зоны 1, то есть R₂ = 1,7 R₁, а избыточное давление на внешней границы зоны уменьшается до 300 кПа.

Зона 3 – зона действия ударной воздушной волны (УВВ). Величина избыточного давления определяется по графику рис.2.

Рис.1. Зоны в очаге поражения

R₁, R₂, R₃ – радиусы внешних границ соответствующих зон

Рис. 2. Зависимость радиуса внешней границы зоны действия избыточного давления от количества взрывоопасной горючей смеси

Избыточное давление определяется разностью между фактическим давлением воздуха в данной точке и атмосферным давлением:

Р_изб. = Р_ф – Р_атм, (2)

где, Р_изб – избыточное давление, кПа; Р_ф – давление на фронте УВВ, кПа; Р_атм – атмосферное давление, кПа.

Избыточное давление может измеряться в кгс/см² или паскалях (1 кгс/см² 100 кПа). При проходе фронта УВВ избыточное давление воздействует на человека со всех сторон.

Скоростной напор воздуха (динамическая нагрузка) обладает метательным действием. Измеряется в кгс/см² или паскалях. Совместное воздействие с УВВ приводит к разрушениям объекта и человеческим жертвам.

Поражение объектов, вызванных УВВ характеризуются, степенью их разрушения.

Зона полных разрушений. Восстановить разрушенные объекты невозможно. Зона массовой гибели людей и животных. Занимает до 13 % всей площади очага поражения. Полностью разрушаются строения, до 5 % убежищ и подземных коммуникаций. На улицах образуются сплошные завалы. Сплошных пожаров не возникает из-за сильных разрушений, срыва пламени ударной волной, разлёта воспламенившихся обломков и засыпка их грунтом. Эта зона характеризуется величиной избыточного давления свыше 50 кПа.

Зона сильных разрушений занимает площадь до 10 % очага поражения. Строения сильно повреждены, убежища и коммунальные сети сохраняются. Есть местные завалы и зоны сплошных пожаров. Зона характеризуется избыточным давлением 0,3…0,5 кгс/см² (30…50 кПа).

Зона средних разрушений наблюдается при избыточном давлении 0,2…0,3 кгс/см² (20…30 кПа) и занимает площадь до 15 % очага поражения. Строения получают средние повреждения, могут быть местные завалы, участки сплошных пожаров, массовые санитарные потери среди населения.

Зона слабых разрушений характеризуется избыточным давлением 0,1…0,2 кгс/см² (10…20 кПа) и занимает да 62 % площади очага поражения. Строения получают слабые повреждения (разрушения перегородок, дверей, окон), могут быть отдельные завалы, очаги пожаров, у людей травмы.

За пределами зоны слабых разрушений возможно нарушение остекления и несущественные разрушения. Население способно оказывать самопомощь.

Воздействие УВВ на человека может быть косвенным или непосредственным. При косвенном поражении УВВ, разрушая постройки , вовлекает в движение большое количество твёрдых частиц и других предметов массой до 1,5 при скорости до 35 м/с. Плотность таких частиц достигает до 4500 шт./м². (Для сравнения плотность картечи при выстреле составляет до 20 шт./м². ) Поэтому, наибольший ущерб наносит косвенное действие УВВ.

При непосредственном воздействии УВВ люди получают крайне тяжёлые, тяжёлые, средние и лёгкие травмы.

Крайне тяжёлые травмы (обычно несовместимые с жизнью) возникают при воздействии избыточного давления свыше 100 кПа.

Тяжёлые травмы (сильная контузия организма, поражение внутренних органов, потеря конечностей, сильное кровотечение из носа и ушей) возникают при избыточном давлении 100…60 кПа.

Средние травмы (контузии, повреждения органов слуха, кровотечения из носа и ушей, вывихи) имеют место при избыточном давлении 60…40 кПа.

Лёгкие травмы (ушибы, вывихи, временная потеря слуха, общая контузия) наблюдается при избыточном давлении 40…20 кПа.

Пример: Определить ожидаемую степень разрушения доменной печи, если в 300 м от неё взорвалась емкость, вмещающая 100 т пропана.

Решение:

1. В очаге взрыва ГВС (рис.1) выделяются зоны, имеющие форму полусфер: 1 зона (детонационной волны) радиусом R₁ = 17,5 ∙ = 80 м; 2 зона (действия продуктов взрыва) радиус которой R₂ = 1,7 ∙ 80 = 136 м.

2. Цех находится за пределами этих зон и оказался в третьей зоне (УВВ). По графику рис.2 находим, что при массе взрыва 100 т на расстоянии 300 м от центра взрыва величина избыточного давления составит 70 кПа или 0,7 кгс/см².

3. Избыточное давление 0,7 кгс/см² вызовет средние разрушения доменной печи (табл.1).

Таблица 1

Величина избыточного давления, кгс/см², определяющая степень разрушения

Объекты разрушения	Степень разрушения
	сильная	средняя	слабая
сооружения с тяжёлым каркасом	0,6…0,4	0,4…0,3	0,3…0,1
сооружения с лёгким каркасом и без него	0,5…0,3	0,3…0,2	0,2…0,1
доменные печи	0,8…0,4	0,4…0,2	0,2…0,1
тепловые и атомные электростанции	0,45…0,35	0,35…0,25	0,25…0,15
здания кирпичные	0,3…0,2	0,2…0,12	0,12…0,08
здания деревянные	0,2…0,12	0,12…0,08	0,08…0,06
разрушение остекления зданий	0,05…0,03	0,03…0,02	0,02…0,01
подземные водо-, газо-, канализационные сети	15…10	10…6	6…13
трубопроводы наземные	1,5…0,5	0,5…0,2	0,2…0,1
трубопроводы, заглублённые на 0,7 м	5…3,5	3,5…2,5	1,5…1,5
кабельные линии наземные	1,0…0,7	0,05…0,03	0,3…0,01
кабельные линии подземные	15…20	10…8,0	8,0…6,0
воздушные линии высокого напряжения	1,2…0,8	0,7…0,5	0,4…0,02
контактная сеть железной дороги	0,7…0,6	0.6…0,5	0,5…0,4
антенные устройства	0,6…0,4	0,4…0,2	0,2…0,1
мосты металлические	3,0…2,5	2,5…1,5	1,5…1,0
мосты деревянные	1,0…0,8	0,8…0,5	0,5…0,2
шоссейные дроги с твёрдым покрытием	20…10	10…3	3…1,2
пути железнодорожные	3,0…2,5	2,5…1,5	1,5…1,0
газгольдеры	1,0…0,7	0,7…0,2	0,2…0,1
водонапорные башни	0,7…0,6	0,6…0,3	0,3…0,2
резервуары чистой воды	2,5…2,0	2,0…0,5	0,5…0,2
подстанции трансформаторные	0,7…0,6	0,6…0,4	0,4…0,3
метро	20…15	15…12	12…10
аэродромы с бетонным покрытием	20…15	15…4,0	4,0…3,0
стационарные воздушные линии связи	1,2…0,8	0,7…0,5	0,2…0,1
смотровые колодцы	10…6	6…4	4…2
затворы плотин	1,5…1,0	1,0…0,7	0,7…0,2
Здания ГЭС	3…2	2…1	1…0,5
плотины земляные	11…10	10…7	7…1,5

Задание

1. Определить ожидаемую степень разрушения объекта экономики. Исходные данные табл.2.

Таблица 2

Исходные данные к задаче 1

№ п/п	Количество пропана, т			Расстояние до объекта, м	Объект экономики
	Q1	Q2	Q3
1	10	50	100	50	сооружения с тяжёлым каркасом
2	20	60	110	100	сооружения с лёгким каркасом и без него
3	30	70	120	200	доменные печи
4	40	80	130	300	тепловые и атомные электростанции
5	1	5	15	10	здания кирпичные
6	2	6	16	20	здания деревянные
7	3	7	17	30	разрушение остекления зданий
8	4	8	18	40	подземные водо-, газо-, канализационные сети
9	10	50	100	400	трубопроводы наземные
10	20	60	110	500	трубопроводы, заглублённые на 0,7 м
11	30	70	120	600	кабельные линии наземные
12	40	80	130	700	кабельные линии подземные
13	1	5	15	800	воздушные линии высокого напряжения
14	2	6	16	900	контактная сеть железной дороги
15	3	7	17	5	антенные устройства
16	4	8	18	7	мосты металлические
17	1	3	7	5	мосты деревянные
18	2	5	9	15	шоссейные дроги с твёрдым покрытием
19	3	7	11	17	пути железнодорожные
20	5	9	13	19	газгольдеры
21	30	70	120	200	водонапорные башни
22	40	80	130	300	резервуары чистой воды
23	1	5	15	10	подстанции трансформаторные
24	2	6	16	20	метро
25	3	7	17	30	аэродромы с бетонным покрытием
26	4	8	18	40	стационарные воздушные линии связи
27	3	7	17	5	смотровые колодцы
28	4	8	18	7	затворы плотин
29	1	3	7	5	Здания ГЭС
30	40	80	130	300	плотины земляные

2. Нарисовать график изменения давления в зависимости от расстояния.

3. Определить на каком расстоянии от центра взрыва объект экономики получит сильную, среднюю и слабую степень разрушения. Исходные данные табл.3.

Таблица 3

Исходные данные к задаче

№ п/п	Количество пропана, т	Объект экономики
1	1	газгольдеры
2	2	водонапорные башни
3	5	резервуары чистой воды
4	10	подстанции трансформаторные
5	11	метро
6	12	аэродромы с бетонным покрытием
7	13	стационарные воздушные линии связи
8	14	смотровые колодцы
9	15	затворы плотин
10	16	Здания ГЭС
11	17	плотины земляные
12	18	трубопроводы, заглублённые на 0,7 м
13	19	кабельные линии наземные
14	20	кабельные линии подземные
15	30	воздушные линии высокого напряжения
16	40	контактная сеть железной дороги
17	50	антенные устройства
18	60	мосты металлические
19	70	мосты деревянные
20	80	шоссейные дроги с твёрдым покрытием
21	90	пути железнодорожные
22	100	сооружения с тяжёлым каркасом
23	200	сооружения с лёгким каркасом и без него
24	300	доменные печи
25	400	тепловые и атомные электростанции
26	500	здания кирпичные
27	600	здания деревянные
28	700	разрушение остекления зданий
29	800	подземные водо-, газо-, канализационные сети
30	900	трубопроводы наземные