РАСЧЕТ ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВА

ВНУТРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Развитие химической промышленности сопровождается увеличением масштабов производства, мощности установок и аппаратов и усложнением технологических процессов и режимов управления производством. Вследствие усложнения и увеличения производства, происходящие аварии имеют все более тяжкие последствия. Особую опасность представляют химические, взрывоопасные производства, атомные электростанции , склады взрывчатых и легковоспламеняющихся веществ, боеприпасов , а также сосуды и резервуары, предназначенные для хранения и транспортировки нефтепродуктов и сжиженных газов.

В настоящее время в мире все больше внимания уделяется вопросам обеспечения на высоком уровне защиты окружающей среды, безопасности жизнедеятельности и охране труда . Одним из возможных путей снижения риска возникновения чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах является анализ произошедших аварий. На их основе разрабатываются мероприятия по предупреждению возникновения аварий и предотвращению опасных последствий.

Одним из видов аварий на промышленных объектах являются взрывы технологического оборудования. Взрыв оборудования несет потенциальную опасность поражения людей и обладает разрушительной способностью.

Взрыв (взрывчатое превращение) – это процесс быстрого физического или химического преобразования вещества, сопровождающийся переходом потенциальной энергии этого вещества в механическую энергию движения или разрушения . В зависимости от ви­да энергоносителя и условий энерговыделения при взрыве различают химические и физиче­ские источники энергии.

Физический взрыв может быть вы­зван внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жид­костью, смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т. д.

Источником химического взрыва являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или термического раз­ложения нестабильных соединений.

Физические взрывы в оборудовании

Физические взрывы, как правило, связывают с взрывами сосудов от давления газов или паров .

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 происходит случайно вследствие превышения регламентированной скорости нагрева жидкости внешним теплоносителем .

При взрывах сосудов под давлением могут возникать сильные ударные волны, образуется большое число осколков, что приводит к серьезным разрушениям и травмам. При этом общая энергия взрыва переходит в основном в энергию ударной волны и кинетическую энергию осколков.

Многие жидкости хранятся или используются в условиях, когда давление их паров значительно превышает атмосферное. Энергия перегрева жидкости может быть источником чисто физических взрывов, например, при интенсивном перемешивании жидкостей с различными температурами, при контакте жидкости с расплавами металла и нагретыми твердыми телами. При этом не происходит химических превращений, а энергия перегрева расходуется на парообразование, которое может протекать с такой скоростью, что возникает ударная волна. Масса образующихся паров и скорость парообразования при этом определяются по материальным и тепловым балансам двух возможных моделей аварийных ситуаций: 1) тепловыделение с парообразованием происходит при постоянном объеме; 2) за тепловыделением при сохранении объема следует расширение с сохранением теплового равновесия.

При смешивании двух жидкостей с существенно разными температурами возможны явления физической детонации с образованием облака жидких капель одного из компонентов.

На промышленных предприятиях нейтральные (негорючие) сжатые газы - азот , диоксид углерода, фреоны, воздух - в больших объемах находятся главным образом в сферических газгольдерах высокого давления.

9 июля 1988 г произошел взрыв шарового газгольдера сжатого воздуха объемом 600 м3 (радиус сферы 5,25 м), изготовленного из стали толщиной 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 агрегата производства карбамида, введенного в эксплуатацию в апреле 1988 г. Воздух в газгольдер поступал из общей заводской 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 системе 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 СО2 от горючих примесей. В это отделение воздух из газгольдера отводился по трубопроводу диаметром 150 мм в нагнетательную линию турбокомпрессора СО2 типа «Бабета», работающую под давлением 2,3 МПа и являющуюся одновременно приемной линией дожимного до 10,0 МПа поршневого компрессора (4ДВК-210-10); подводимый воздух предназначался для продувки системы компремирования и через нее технологической линии от СО2 перед ремонтом.

По окончании ремонта технологической установки был включен турбокомпрессор СО2 и через 10 мин при движении давления в линии нагнетания 2,3 МПа был включен поршневой компрессор с регулировкой на режимное давление 10,0 МПа. После пуска центробежного компрессора СО2 давление в воздушном газгольдере стало возрастать; при этом манометр со шкалой 0,8 МПа на пульте управления «зашкалило». Диоксид через неплотно закрытый вентиль из нагнетательного трубопровода, работающего центробежного компрессора по воздушной линии поступал в воздушный газгольдер. Давление газа в газгольдере возрастало в течение 4 ч, что привело к разрушению газгольдера от превышения давления.

Поступление СО2 в воздушный газгольдер подтверждается снижением температуры воздуха до 0°С за счет дросселирования СО2 с давлением нагнетания центробежного компрессора до давления в газгольдере.

В областях низких давлений ударной волны разрушено до 100% остекления в шести производственных зданиях, находящихся на расстоянии м от места установки взорвавшегося газгольдера; незначительные повреждений остекления (до 10%) отмечались в домах жилых кварталов, расположенных в 2500 м от места взрыва.

Большую опасность представляли разлетающиеся осколки оболочки газгольдера.

Химические взрывы в оборудовании

Экзотермические химические реакции проводят в технологических системах (реакторах), сбалансированных по тепловому режиму. Выделяемое при реакции тепло отводится внешним хладагентом через стенки теплообменных элементов с нагретыми продуктами реакции или с избыточным сырьем за счет его испарения и т. д. Устойчивое протекание реакционного процесса обеспечивается равенством скоростей тепловыделения и теплоотвода. Скорость реакции и соответственно притока тепла возрастает по степенному закону с ростом концентрации реагентов и быстро увеличивается при повышении температуры.

При выходе химической реакции из-под контроля возможны следующие механизмы взрывов .

1. Если реакционная масса представляет собой конденсированные ВВ, при достижении критической температуры возможна детонация продукта; при этом взрыв будет происходить по механизму взрыва точечного заряда ВВ в оболочке. Энергия взрыва будет определяться тротиловым эквивалентам всей массы ВВ в системе.

2. В условиях газофазных процессов возможно термическое разложение газов или взрывное горение газовой смеси; их следует рассматривать как взрывы газов в замкнутых объемах с учетом реальных энергетических потенциалов и тротиловых эквивалентов.

3. В жидкофазных процессах возможен вариант аварийного взрывного энерговыделения: перегрев жидкости и повышение давления пара над ней до критического значения.

Общая энергия взрыва облака будет равна сумме эквивалентов теплот сгорания паров, имеющихся в системе и дополнительно образующихся при испарении жидкости.

Причинами выхода из-под контроля экзотермической химической реакции часто являются снижение теплопритока в жидкофазных периодических процессах с большими массам и реагирующих веществ и ограниченные возможности теплоотвода обычными методами. К таким процессам относится, в частности, полимеризация в массе мономера, при которой скорость реакции регулируется обычными методами, а также дозировкой инициирующих веществ. На случай выхода процесса из-под контроля дополнительно предусматривают ввод в реакционную массу веществ, снижающих скорость или подавляющих экзотермическую реакцию.

Некоторые вещества могут полимеризоваться более или менее самопроизвольно, и обычные реакции полимеризации будут экзотермическими. Если мономер - летучий, как это часто бывает, достигается стадия, при которой может произойти опасное повышение давления. Иногда полимеризация может протекать только при повышенных температурах, но для некоторых веществ, таких, как этиленоксид, полимеризация может начаться при комнатной температуре, особенно когда исходные соединения загрязняются веществами, ускоряющими полимеризацию.

Подобные аварии происходили при полимеризации винилхлорида и других мономеров, в хранилищах хлоропрена и в железнодорожных цистернах с жидким хлором, углеводородами и другими активными соединениями, когда в них ошибочно закачивали вещества, взаимодействующие с содержащимися в них продуктами . При значительном превышении тепловыделения по сравнению с теплоотводом при таких авариях происходит полное раскрытие технологической системы, при котором резко уменьшается давление, снижается скорость химической реакции или она совсем прекращается. В этом случае общий энергетический потенциал составляет сумму эквивалентов энергий сгорания паров (газов), находящихся над жидкостью и образующихся в результате испарения под действием тепла перегрева жидкости до температуры, соответствующей критическим условиям разрушения системы.

Так же самый простой случай взрыва - это процесс разложения, который дает газообразные продукты . Один из примеров - пероксид водорода , который разлагается со значительной теплотой реакции, давая водяной пар и кислород:

2Н2О2 ->2Н2О + О2 - 23,44 ккал/моль

Как бытовой продукт пероксид водорода продается в виде 3%-ного водного раствора и представляет незначительную опасность. Иначе дело обстоит с пероксидом водорода «высокой пробы», концентрация которого составляет 90% или более. Разложение такой Н2О2 ускоряется рядом веществ, что используется в качестве реактивного топлива или в газовой турбине для накачки топлива к главным двигателям.

Одним из примеров может служить окислительно-восстановительные реакции и конденсации :

1). Окислительно-восстановительные реакции, в которых воздух или кислород реагирует с восстановителем, весьма обычны и составляют основу всех реакций горения. В тех случаях, когда восстановитель является недиспергированным твердым веществом или жидкостью, реакции горения протекают недостаточно быстро, чтобы стать взрывными. Если твердое вещество мелко раздроблено или жидкость находится в виде капелек, то возможен быстрый рост давления. Это может привести в условиях замкнутого объема к росту избыточного давления вплоть до 0,8 МПа.

2). Реакции конденсации весьма распространены. Они особенно широко применяются в производстве красок, лаков и смол, где служат основой процессов в реакторах непрерывного действия со змеевиками для нагрева или охлаждения. Зарегистрировано много примеров неконтролируемых реакций, обусловленных тем, что скорость переноса тепла в таких сосудах является линейной функцией разности температур между реакционной массой и охладителем, тогда как скорость реакции - это экспоненциальная функция температуры реагента. Однако благодаря тому, что скорость выделения тепла, будучи функцией концентрации реагентов, во время протекания реакции уменьшается, нежелательный эффект до некоторой степени компенсируется.

Таким образом, энергия взрыва, вызванного выходом из-под контроля экзотермической химической реакции, зависит от характера технологического процесса и его энергетического потенциала. Такие процессы, как правило, оснащаются соответствующими средствами управлений и противоаварийной защиты, что снижает возможность развития аварии. Однако химические реакции часто являются источником неуправляемого высвобождения энергии в аппаратуре, в которой не предусмотрен организованный теплоотвод. В этих условиях начавшиеся самоускоряющиеся химические реакции неизбежно приводят к разрушению технологических систем.

Статистика аварий

В таблице 1 представлены данные об авариях, связанных с взрывами внутри технологического оборудования.

Таблица 1 - Перечень произошедших аварий

Дата и место аварии	Вид аварии	Описание аварии и основные причины	Масштабы развития аварии, максимальные зоны действия поражающих факторов	Число пострадавших	Источник информации
г. Ионава	Взрыв резервуара-хранилища	В результате полимеризации винилацетата выделилось тепло, достаточного для создания разрушительного давления.	Разрушение резервуара.
	Разрушение аппарата окисления	При выходе из-под контроля экзотермической реакции окисления изопропилбензола воздухом произошло разрушение аппарата от резкого подъема давления.	Разрушение аппарата.
склад Сумгаитского ПО	Взрыв сферического резервуара	Вследствие начавшегося процесса полимеризации бутадиена произошло разрушение резервуара.	Врыв резервуара повлек за собой взрыв цистерны. Осколками повреждены соседние резервуары и здание.

Продолжение таблицы 1

	Взрыв газгольдера	Взрыву газгольдера предшествовало медленное повышение давления до предела текучести стали.	На расстоянии м от газгольдера 100% разрушено остекление, 2500 м – 10%.
02.1990 Новокуйбышевское НПЗ	Взрыв сосуда	Сосуд разрушился в результате превышения давления паров пропан-бутановой фракции в сепараторе.	Разрушение емкости по сплошному металлу обечайки.
	Взрыв реактора	В результате экзотермической химической реакции разложения нитромассы и превышения давления произошел взрыв реактора.	Разрушено здание, в котором находился реактор.
07.1978 Сан-Карлос	Разрыв оболочки автоцистерны		Осколки разлетелись на расстояние 250 м, 300 м, 50 м. Тягач оказался на расстоянии 100м.
07.1943 Людвигсгафене,	Взрыв цистерны	Из-за превышения гидравлического давления	Разрушение оболочки.

Продолжение таблицы 1

Германия		разрушилась цистерна, содержащая бутан-бутиленовой смеси.
07.1948 Людвигсгафене, Германия	Взрыв цистерны диметилового эфира	Из-за превышения гидравлического давления разрушилась цистерна.	Разрушение оболочки.
10.02.1973 Нью-Йорк, США	Взрыв в резервуаре	При ремонте резервуара взорвались пары природного газа от искры.	Разрушение резервуара.	40 человек погибло, 2 пострадали.
24.10.1973 Шеффилд, Англия	Взрыв подземного резервуара	Взрыв остатков вещества от оборудования для резки материалов пламенем.	Радиус разрушений составил около полукилометра.	3 человека погибло, 29 получили ранения
19.12.1982 г. Каракас, Венесуэла	Взрыв резервуара	На складе нефтехранилища взорвался резервуар с 40 тыс. т топлива	Горящая нефть хлынула в город и в море. Загорелся танкер в бухте и взорвался еще один резервуар на берегу.	140 человек погибло, пострадало более 500.
20.06.2001 Каталония, Испания	Взрыв резервуара	Взрыв резервуара с техническим спиртом произошел на химическом предприятии.		2 человека погибло

Методика расчета

При взрывах оборудования основным поражающим фактором является ударная воздушная волна .

При оценке параметров аварийного взрыва емкости с инертным газом (смесью газов) допускается, что оболочка имеет сферическую форму. Тогда напряжение в стенке сферической оболочки определяется по формуле:

σ = ΔP · r/(2d), (1)

где σ – напряжение в стенке сферической оболочки, Па;

ΔP – перепад давлений, Па;

r – радиус стенки оболочки, м;

d – толщина стенки оболочки, м.

Преобразование формулы (1) позволяет рассчитать разрушающее давление (условие разрушения - σ ≥ σв):

ΔP = 2d · σв/ r, (2)

где σв – временное сопротивление разрушению материала, Па.

Давление парогазовой смеси в емкости:

Р = ΔP + Р0, (3)

где Р0 – атмосферное давление, 0,1·106 Па.

Уравнение изэнтропы:

Р/Р0 = (ρ/ρ0)γ, (4)

где γ – показатель адиабаты газа;

ρ0 – плотность газа при атмосферном давлении, кг/м3,

ρ – плотность газа при давлении в емкости, кг/м3.

Плотность газа при давлении в емкости определяется после преобразования уравнения изэнтропы (4):

ρ = ρ0 · (Р/Р0)1/γ, (5)

Полная масса газа:

С = ρ · V, (6)

где V – объем парогазовой смеси, м3.

При взрыве емкости под внутренним давлением Р инертного газа (смеси газов) удельная энергия Q газа:

Q= ΔP/[ρ · (γ - 1)] (7)

В случае сжатого взрывоопасного газа:

Q = Qв + ΔP/[ ρ· (γ - 1)], (8)

где Qв – удельная энергия взрыва газовой смеси, Дж/кг.

Тротиловый эквивалент взрыва емкости с газом составит:

qтнт = Q · С/ Qтнт, (9)

где Qтнт – удельная энергия взрыва тротила, равная 4,24·106 Дж/кг.

Эквивалент по ударной волне оценивается с коэффициентом 0,6:

qу. в. = 0,6 · qтнт (10)

q = 2 · qу. в. (11)

Избыточное давление на фронте ударной волны (ΔРфр, МПа) на расстоянии R определяется по формуле для сферической УВВ в свободном пространстве :

где , R – расстояние от эпицентра взрыва до реципиента, м.

В таблице 2 представлены значения предельно допустимого избыточного давления ударной волны при сгорании газо-, паро - или пылевоздушных смесей в помещении или открытом пространстве , для которых подбираются расстояния для определения зон поражения.

Таблица 2 – Предельно допустимые избыточные давления при сгорании газо-, паро - или пылевоздушных смесей в помещении или открытом пространстве

Степень поражения	Избыточное давление, кПа
Полное разрушение зданий (смертельное поражение человека)
50 %-ное разрушение зданий
Средние повреждения зданий
Умеренные повреждения зданий (повреждения внутренних перегородок, рам, дверей и т. п.)
Нижний порог повреждения человека волной давления
Малые повреждения (разбита часть остекления)

Импульс волны давления, кПа·с:

Формулы (12,13) справедливы при условии ≥0,25.

Условная вероятность поражения избыточным давлением, развиваемым при взрыве парогазовоздушных смесей, человека, находящегося на определенном расстоянии от эпицентра аварии, определяется с помощью «пробит–функции» Pr, которая рассчитывается по формуле :

Pr = 5 – 0,26·ln(V) , (14)

где

Связь функции Рr с вероятностью Р той или иной степени поражения находится по таблице 3 .

Таблица 3 – Связь вероятности поражения с функцией «пробит»

Основной целью расчетов по данной методике является определение радиусов зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека и определение вероятности поражения людей, находящихся на определенном расстоянии от эпицентра взрыва.

Примеры расчетов

Физические взрывы

Пример №1

Взрыв шарового газгольдера сжатого воздуха объемом V = 600 м3 произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Взрыв произошел при давлении Р = 2,3 МПа. Плотность газа при нормальном давлении ρ = 1,22 кг/м3, показатель адиабаты γ = 1,4. Оценить последствия взрыва сжатого воздуха в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 50 м.

Решение :

Определяется перепад давлений, преобразовав формулу (3):

ΔР = 2,3 - 0,1 = 2,2 МПа

Рассчитывается плотность газа по уравнению (5):

ρ = 1,22 · (2,3/0,1)1/1,4 = 11,46 кг/м3

Полная масса газа:

С = 11,46 · 600 = 6873 кг

Q = 2,2 / = 0,48 МДж/кг

qтнт = 0,48 · 6873 / 4,24 = 778 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу. в. = 0,6 · 778 = 467 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · 467 = 934 кг

Результаты расчета приведены ниже (таблица 4).

Таблица 4 – Радиусы зон воздействия УВВ

ΔРфр, кПа

Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 50 м:

50/(9341/3) = 5,12

ΔРфр = 0,084/5,12 + 0,27/5,122 + 0,7/5,123 = 31,9 кПа.

I = 0,4 · 9342/3/50 = 0,76 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 50 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(31,9·103))8,4 + (290/(0,79·103))9,3 = 0,0065

Pr = 5 - 0,26 · ln(0,0065) = 6,31

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 50 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 91%.

Пример №2

Взрыв шарового газгольдера диоксида углерода объемом V = 500 м3 (радиус сферы 4,95 м) произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат изготовлен из стали 09Г2С толщиной стенки 16 мм и рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Временное сопротивление разрушения материала σв = 470 МПа. Плотность газа при нормальном давлении ρ = 1,98 кг/м3, показатель адиабаты γ = 1,3. Оценить последствия взрыва сжатого диоксида углерода в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 120 м.

Решение:

Разрушающее давление определяется по формуле (2):

ΔP = 2 · 0,016 · 470/4,95 = 3 МПа

Определяется давление парогазовой смеси в емкости по формуле (3):

Р = 3 + 0,1 = 3,1 МПа

Рассчитывается плотность газа по уравнению (5) при давлении Р:

ρ = 1,98 · (3,1/0,1)1/1,3 = 28,05кг/м3

Полная масса газа:

С = 28,05 · 550 = 14026 кг

По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 3 / = 0,36 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва газа составит:

qтнт = 0,36 · 14026 / 4,24 = 1194 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу. в. = 0,6 · 1194 = 717 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · 717 = 1433 кг

Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.

Результаты расчета приведены ниже (таблица 5).

Таблица 5 – Радиусы зон воздействия УВВ

ΔРфр, кПа

Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 120 м:

120/(14333) = 10,64

ΔРфр = 0,084/10,64 + 0,27/10,642 + 0,7/10,643 = 10,9 кПа.

I = 0,4 · 14332/3/120 = 0,42 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 120 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(10,9*103))8,4 + (290/(0,42*103))9,3 = 0,029

Pr = 5 - 0,26 * ln(0,029) = 5,92

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 120 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 82%.

Химические взрывы

Пример №1

Из хранилища объемом V = 1000 м3 был слит толуол для проведения ремонта. В начале сварки произошел взрыв паров толуола. Плотность паров по воздуху при нормальном давлении ρ = 3,2, показатель адиабаты γ = 1,4, ВКПВ - 7,8 % об., теплота взрыва газа 41 МДж/кг. Оценить последствия взрыва (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 100 м.

Решение :

В хранилище атмосферное давление Р = 0,1 МПа.

Плотность паров:

ρ = 3,2 · 1,29 = 4,13 кг/м3

Объем пара находится через ВКПВ (считается, что весь объем заполнен смесью с концентрацией паров толуола, соответствующей ВКПВ):

V = 1000 · 7,8/100 = 78 м3

Полная масса газа:

С = 4,13 · 78 = 322 кг

По формуле (8) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 41 + 1/ = 41,06 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва составит:

qтнт = 41,06 · 322 / 4,24 = 3118 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу. в. = 0,6 · 3118 = 1871 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · 1871 = 3742 кг

Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.

Результаты подсчета давлений и импульсов приведены ниже (таблица 6).

Таблица 6 – Радиусы зон воздействия УВВ

ΔРфр, кПа

Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 100 м:

100/(37421/3) = 6,44

ΔРфр = 0,084/6,44 + 0,27/6,442 + 0,7/6,443 = 22,2 кПа.

I = 0,4 · 37422/3/100 = 0,96 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 100 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(22,2·103))8,4 + (290/(0,96·103))9,3 = 0,14

Pr = 5 - 0,26 · ln(0,14) = 5,51

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 100 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 69%.

Пример №2

Взрыв железнодорожной цистерны объемом V = 60 м3, заполненной на 80 % толуолом, произошел в результате удара молнии. Плотность газа при нормальном давлении ρ = 4,13 кг/м3, показатель адиабаты γ = 1,4, ВКПВ – 7,8 % об., теплота взрыва газа 41 МДж/кг. Давление в цистерне Р = 0,1 МПа. Оценить последствия взрыва (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 30 м.

Решение :

Объем газа определяется через коэффициент заполнения и ВКПВ (считается, что весь объем заполнен смесью с концентрацией паров толуола, соответствующей ВКПВ):

V = 60 · 0,2 · 0,078 = 0,936 м3

Полная масса газа:

С = 4,13 · 0,936 = 3,9 кг

По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 41 + 0,9/ = 41,1 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва составит:

qтнт = 41,1 · 3,9 / 4,24 = 37,4 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу. в. = 0,6 · 37,4 = 22,4 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2· 22,4 = 44,8 кг

Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.

Результаты подсчета давлений и импульсов приведены ниже (таблица 7).

Таблица 7 – Радиусы зон воздействия УВВ

ΔРфр, кПа

Для определения вероятности поражения человека на расстоянии R по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 30 м:

30/(44,81/3) = 8,4

ΔРфр = 0,084/8,4 + 0,27/8,42 + 0,7/8,43 = 14,9 кПа.

I = 0,4 · 44,82/3/30 = 0,17 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 70 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит – функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(14,9·103))8,4 + (290/(0,17·103))9,3 = 161

Pr = 5 - 0,26·ln(161) = 3,7

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 30 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 10%.

Список использованной литературы

1. Челышев теории взрыва и горения. Учебное пособие – М.: Министерство обороны СССР, 1981. – 212 с.

2. Взрывные явления. Оценка и последствия: В 2-х книгах. Книга 1. Пер. с англ./ – М.: Мир, 1986. – 319 с.

3. Бесчастнов взрывы. Оценка и предупреждение – М.: Химия, 1991. – 432 с.

5. http://www. Пресс-Центр. ru

6. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Учебное пособие. Книга 2. и др. – М.: Изд. АСВ, 1996. – 384с.

7. ГОСТ Р 12.3.047-98 ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.

8. РД Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей.

9. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения/, и др. – М.: Химия, 1990. – 496 с.

10. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости. Справочник/под ред. -Агалакова – М.: Изд-во мин. коммунального хоз-ва, 1956. – 112 с.

11. , Носков и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

12. Бережковский и транспортирование химических продуктов. – Л.: Химия, 1982. – 253 с.

13. , Кондратьева безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств. – Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение, 1988. – 303 с.

14. Справочник металлиста. В 5-ти т. Т. 2. Под ред. , – М.: Машиностроение, 1976. – 720 с.

Приложения

Приложение А

Таблица А1 - Свойства газов и некоторых жидкостей

Название	Плотность вещества, кг/м3 (при 20 оС)	Плотность по воздуху газа (пара)*	Коэффициент адиабаты
Ацетилен
Диоксид азота
Диоксид углерода
Кислород
Пропилен

Примечание: Для определения плотности паров используется плотность воздуха при 0 оС.

Приложение Б

Таблица Б1 - Конструкционные материалы

Материал	Предел прочности, σв МПа	Назначение
Ст3пс, Ст3сп (гр. А)		Для деталей машин, станков, резервуаров.
		Для хранения разбавленной азотной и серной кислоты, раствора аммиачной селитры и аналогичных веществ с плотностью 1400 кг/м3.
		Для хранения агрессивных химических продуктов плотностью 1540 кг/м3.
		При изготовлении трубопроводов и аппаратов. Резервуары для хранения сжиженных газов, железнодорожные цистерны.
		Трубопроводы, давление до 100 кгс/см2.
		Северного исполнения для деталей машин.

Взрывы, происходящие на производстве приводят к разрушению зданий, сооружений, оборудования и травмирования людей. Поэтому важно знать заранее, к каким разрушениям может привести возможен взрыв. При взрыве газопаровоздушных среды зоной разрушения считается площадь с границей, определяется радиусом R, центром которого является технологический блок, рассматриваемой объект или эпицентр взрыва. Границы каждой зоны характеризуются значениями избыточных давлений во фронте ударной волны Δ Р и соответственно безразмерным коэффициентом К, характеризующий воздействие ударной волны взрыва на объект. Классы зон возможных разрушений при взрыве облаков топливно-воздушной смеси в помещении и коэффициенты К в зависимости от создаваемого избыточного давления АР, представленные в табл. 4.4. Данная таблица используется для нахождения размеров зон возможных разрушений от взрывной волны, и, зная характеристику зоны поражения, можно определить избыточное давление во взрывной волны и массу взрывчатого вещества, участвовала во взрыве.

Таблица 4.4

Уровень возможных разрушений при взрывном превращении облаков топливовоздушной смеси

разрушения	Избыточное давление Δ Р, кПа		коэффициент К			разрушений	Характеристика зоны поражения
							Разрушение и обрушение всех элементов зданий и сооружений, включая подвалы, процент выживания людей: Для административно бытовых зданий и
							зданий управления обычного исполнения - 30%; Для производственных зданий и сооружений обычного исполнения - 0%
							Разрушение части стен и перекрытий верхних этажей, образование трещин в стенах, деформация перекрытий нижних этажей. Возможно ограниченное использование подвалов, сохранившихся после расчистки входов. Процент выживания людей: Для административно бытовых зданий и зданий управления обычного исполнения - 85%; Для производственных зданий и сооружений обычного исполнения - 2%.
							Разрушение главным образом второстепенных элементов (крыш, перегородок и дверных заполнений). Перекрытия, как правило, не обваливаются. Часть помещений пригодна для использования после расчистки обломков и выполнения ремонта. Процент выживания людей: для административно бытовых зданий и зданий управления обычного исполнения - 94%.
							Разрушение оконных и дверных заполнений и перегородок. Подвалы и нижние этажи полностью сохраняются и пригодны для временного использования после уборки мусора и закладки проемов. Процент выживания людей: Для административно бытовых зданий и зданий управления обычного исполнения - 98%; Для производственных зданий и сооружений обычного исполнения - 90%.
					разрушение стеклянных заполнений		Разрушение стеклянных заполнений. Процент выживших -100%.

Радиусы R, м, зон возможных поражений в общем виде могут быть определены по формулам: при М < 5000 кг

при М> 5000 кг

где М - масса парогазовой среды, участвующий во взрыве, кг

К - безразмерный коэффициент, характеризующий влияние взрыва на объект и определяется по табл. 4.4;

М т - тротиловый эквивалент взрыва, кг, рассчитываемый по формуле (4.2) ... (4.4).

По уровню вызванных взрывной волной разрушений с использованием табл. 4.4 можно рассчитать массу взрывчатого вещества в тротиловом эквиваленте, что участвовала во взрыве. Или наоборот, зная массу взрывчатого вещества в тротиловом эквиваленте, которая может участвовать во взрыве, можно рассчитать размер каждой зоны с определенной характеристикой поражения.

ПРИМЕР .

Определить максимальное расстояние от центра взрыва паров изобутилового спирта в производственном цехе, при котором человек временно потеряет слух. Масса спирта, взорвался, составляет М = 10 кг. Временная потеря слуха у человека наблюдается при избыточном давлении ударной волны

Решение .

1. Рассчитаем по формуле (4.3), с учетом формулы (4.1), тротиловый эквивалент взрыва в воздухе паров изобутилового спирта, кг,

где принято:

Для изобутилового спирта теплота сгорания Qн = 36743 кДж / кг (справочная величина);

Доля приведенной массы парогазовых веществ участвующих во взрыве, для производственного помещения принята, по табл. 4.1, равной 0,3.

2. Поскольку масса парогазовой смеси не превышает 5000 кг, то расчет радиуса зоны, где человек временно при взрыве потеряет слух, можно определить по формуле (4.6). При этом безразмерный коэффициент К, характеризующий влияние волны взрыва на объект, принимается в соответствии со значением избыточного давления в ударной волны ДР <2 кПа и табл. 4.4, равным 56. Тогда радиус зоны, м, составит:

Вывод. При нахождении человека в зоне возможного взрыва с радиусом поражения 27,2 м существует большая вероятность временной потере ею слуха. При взрыве произойдет разрушение стеклянного заполнения оконных проемов и незначительное повреждение оборудования.

Характерными особенностями взрывов ТВС являются:

Возникновение разных типов взрывов: детонационного, дефлаграционного или комбинированного;

При взрывах образуется 5 зон поражения: бризантная (детонационная), действия продуктов взрыва (огненного шара), действия ударной волны, теплового поражения и токсического задымления;

Зависимость мощности взрыва от параметров среды, в которой происходит взрыв (температура, скорость ветра, плотность застройки, рельеф местности);

Для реализации комбинированного или детонационного взрыва для ТВС обязательным условием является создание концентрации продукта в воздухе в пределах нижнего и верхнего концентрационного предела.

Дефлаграция – взрывное горение с дозвуковой скоростью.

Детонация – процесс взрывчатого превращения вещества со сверхзвуковой скоростью.

Расчет радиусов зон поражения (R ) и избыточного давления во фронте ударной волны (DР ф) при взрыве производится по следующим формулам:

1. Бризантная зона (зона детонации):

где М – масса ТВС в резервуаре (кг). За М принимается 50 % вместимости резервуара при одиночном хранении и 90 % – при групповом хранении.

Для бризантной зоны DР ф =1750 кПа.

2. Зона продуктов горения (зона огненного шара):

Радиус зоны:

(2)

Избыточное давление во фронте ударной волны рассчитывается:

(3)

Для остальных зон их радиусы рассчитываются по следующей формуле:

. (4)

3. Зона действия ударной волны:

Слабые разрушения – повреждения или разрушения крыш и оконных и дверных проемов. Ущерб – 10…15 % от стоимости зданий.

Средние разрушения – разрушение крыш, окон, перегородок, чердачных перекрытий, верхних этажей. Ущерб – 30…40 %.

Сильные разрушения – разрушения несущих конструкций и перекрытий. Ущерб – 50 %. Ремонт нецелесообразен.

Полное разрушение – обрушение зданий.

Тепловой импульс (кДж/м 2) определяется по формуле:

где I – интенсивность теплового излучения взрыва ТВС на расстоянии R , кДж/м 2 ×с

, (6)

где Q 0 – удельная теплота пожара, кДж/м 2 ×с; F – угловой коэффициент, характеризующий взаимное расположение источника горения и объекта

(7)

Т – прозрачность воздуха

(8)

t св – продолжительность существования огненного шара (с)

(9)

При взрыве ГВС образуется зона ЧС с ударной волной, вызывающей разрушения зданий, оборудования и т. п. аналогично тому, как это происходит от УВ ядерного взрыва. В данной же методике зону ЧС при взрыве ГВС делят на 3 зоны: зона детонации (детонационной волны); зона действия (распространения) ударной волны; зона воздушной УВ.

Зона детонационной волны (зона I ) находится в пределах облака взрыва. Радиус этой зоны r 1 ,м приближенно может быть определен по формуле

где Q - количество взрывоопасной смеси ГВС, хранящейся в емкости, т.

17,5 – эмпирический коэффициент, который позволяет учесть различные условия возникновения взрыва.

В пределах зоны I действует избыточное давление (Δ Рф ), которое принимается постоянным Δ Рф1 = 1700 кПа .

Зона действия УВ взрыва (зона II ) – охватывает всю площадь разлета ГВС в результате ее детонации. Радиус этой зоны:

Избыточное давление в пределах зоны II изменяется от 1350 кПа до 300 кПа и находится по формуле

Δ Рф2= ,

где r – расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки, м.

Рис.1. Зоны чрезвычайной ситуации при взрыве газо-воздушной смеси. r 1 r r

В зоне действия воздушной УВ (зона III ) – формируется фронт УВ, распространяющийся по поверхности земли. Радиус зоны r3>r2, и r3 - это расстояние от центра взрыва до точки, в которой требуется определить избыточное давление воздушной УВ (ΔРф3): r3=r. Избыточное давление в зоне III в зависимости от расстояния до центра взрыва рассчитывается по формуле

Δ Рф3= , при ψ 2 ,

Δ Рф3= , при ψ 2

где ψ =0,24 r 3/ r 1 = (0,24r)/(17,5) – относительная величина.

Степени разрушений элементов объекта при различных избыточных давлениях ударной волны приведены в таблице 4 .

Расстояния от центра взрыва до внешних границ зон разрушения рассчитываются по формуле:

где ψ – определенный коэффициент, который принимаем равным:

– для зоны слабых разрушений ψ 10 = 2,825 ;

– для зоны средних разрушений ψ 20 = 1,749 ;

– для зоны сильных разрушений ψ 30 = 1,317 ;

– для зоны полных разрушений ψ 50 = 1,015 ;

Площади зон разрушения и очага поражения рассчитываем по формуле:

S = π R ²

1.3. Методика расчета параметров зоны чс (разрушений) при взрыве гвс в замкнутых объемах.

Горючие смеси газов (паров) с воздухом (окислителем) образуются в ограниченных объемах технологической аппаратуры, в помещениях промышленных и жилых зданий, вследствие утечки газа по различным причинам и воспламеняются от внешних источников зажигания. Горение ГВС в замкнутых объемах от точечного источника зажигания происходит послойно с дозвуковой скоростью распространения пламени (дефлограционное горение) при повышении давления и температуры во всем объеме. К концу полного выгорания смеси среднее значение температуры в помещении достигает значений в 1,5-2 раза больших, чем при аналогичных взрывах в открытом пространстве.

Избыточное давление взрыва гвс в помещениях можно определить по формуле

Δ Рф = (Мг Q г P 0 Z )/(V св ρ В СВ Т0 К1) = (ρ г Q г P 0 Z )/(ρ В СВ Т0 К1) ,

где Мг = V св ρ г – масса горючего газа, поступившего в помещение в результате аварии, кг;

Q г - удельная теплота сгорания ГВС, Дж/кг;

P 0 – начальное давление в помещении, кПа; его принимают в расчетах P0 = 101 кПа;

Z – доля участия продуктов во взрыве, принимается в расчетах Z = = 0,5 ;

V св – свободный объем помещения, м3; допускается принимать 80% от полного объема помещения, т. е. Vсв = 0,8 Vп;

V п – полный объем помещения, м3;

ρ В – плотность воздуха до взрыва, кг/м3 при начальной температуре Т0, 0К. Рекомендуется принимать в расчетах ρВ = 1,225 кг/м3;

СВ - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·0К); принимают СВ = = 1,01·103 Дж/(кг·0К);

К1 – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения, допускается принимать К1 = 2 или К1 = 3;

Т0 – начальная температура воздуха в помещении, 0К (окислителя).

При аварии в резервуарном парке количество газа q(t) или пара берётся: 30% от объёма наибольшего резервуара с бензином, 20% - с нефтью. При аварии на трубопроводе - до 20% вытекшей нефти и до 50% вышедшего газа. При аварии на автотранспорте - 4т бензина. При аварии на железной дороге - 10т бензина, 7т нефти. Величина дрейфа газа воздушного облака принимается равной 300 м в сторону предприятия.

При взрыве пара и газа воздушной смеси выделяют зону детонационной волны с радиусом R1 и зону ударной волны. Определяется также: радиус зоны смертельного поражения людей (R см); радиус безопасного удаления (R бу), где R ф=5 кПа; радиус предельно допустимой взрывобезопасной концентрации пара, газа Кпдвк.

Давление во фронте ударной волны Рф2 в зоне ударной волны определяют по таблице/19/

Избыточное давление в зоне детонационной волны определяется:

Радиус зоны смертельного поражения людей определяется по формуле:

где Q - количество газа, газа в тоннах;

R1 - радиус зоны детонационной волны;

R CM - радиус смертельного поражения людей.

Расчёт взрыва резервуара вертикального стального ёмкостью 5000 м3 с нефтью

Определяем количество газа, выделившегося при взрыве:

Количество нефти в тоннах:

5000?875 = 4375000 кг. = 4375 т.

Тогда количество газа:

0,2 ? 4375 = 875 т.

По формуле определяем радиус зоны детонационной волны:

R1=18,5 ?(875)1/3 = 173,00 м.

По формуле определяем радиус зоны смертельного поражения:

RCM=30 ? (875)1/3 = 280,53м.

Расстояние от центра взрыва до операторной r2= 200 м., то r2/R1=200/173 = 1,16, тогда избыточное давление от центра взрыва до операторной Рф1 = 279 кПа