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)
Это упрощенная и достаточно объективная методика, рассмотренная в работах . На основе анализа и обобщения материалов аварий со взрывом ГВС в очаге поражения (взрыва) на открытой местности (атмосфере) выделяют две зоны: детонации (детонационной волны); распространения (действия) ударной волны (УВ).
Условный (расчетный) радиус зоны детонации (детонационной волны) r 0 определяют по эмпирической формуле:
r 0 =18.5· (2.5),
где k – коэффициент, характеризующий объем газов или паров веществ, переходящих во взрывоопасную смесь. Его значения в расчетах принимаются k=0.4-0.6 . В некоторых методиках значение коэффициента k принимают в зависимости от способа хранения продукта: k = 1 - для резервуаров с газообразным веществом;
k = 0,6 - для газов, сжиженных под давлением;
k = 0,1 - для газов, сжиженных охлаждением (хранящихся в изотермических емкостях);
k = 0,05 - при аварийном разливе легковоспламеняющихся жидкостей;
– количество вещества, разлившегося из разгерметизированной емкости (хранилища);
8,5 – эмпирический коэффициент, который позволяет учесть различные условия возникновения взрыва (характеристики ГВС, состояние атмосферы, форму облака, мощность источника воспламенения, место его инициирования и др.).
За пределами зоны детонации избыточное давление ударной волны (ΔР ф) резко снижается до атмосферного. В литературных источниках предлагаются те или иные зависимости для расчета максимальных значений ΔР ф в зоне детонации с учетом расстояния до места взрыва, например во второй методике, приведенной ниже.
В этой же методике для расчетов используются обобщенные данные изменения избыточного давления (ΔР ф) исходя из расстояния, выраженного в долях от радиуса зоны детонации (r 1 /r 0) и максимального давления (P max) в зоне детонации (табл. 2) . При этом P max для различных ГВС находится по табл.2 из справочников .
Зону распространения (действия) УВ обычно разбивают на несколько (n) зон с радиусами:
· смертельных поражений или полных разрушений (R 100) с избыточным давлением на внешней границе ΔР ф =100 кПа (ΔР ф > 50 кПа);
· сильных и полных разрушений соответственно с ΔР ф =30 кПа и ΔР ф =50 кПа (R 50);
· средних с ΔР ф =20 кПа
· слабых с ΔР ф =10 кПа (R 20)
· безопасную зону с ΔР ф < <10 кПа, т.е. ΔР ф =6 -7 кПа (R 6, 7). * По международным нормам безопасным
· для человека является Δ Р ф =7 кПа .
Затем, определив P max (табл. 2) для данной ГВС, вытекшей при аварии из емкости (хранилища), по табл. 3 при принятых зонах с ΔР ф1 =100 кПа, ΔР ф2 =50 кПа, ΔР ф3 =20 кПа, R 6 , 7 =7кПа находим отношения r 1 /r 0 и, следовательно, радиусы (R n) принятых зон, зная r 0 из (2.5)
и R n =c n ·r 0 (2.7),
где n – показатель той или иной принятой зоны; c x = определяется по табл.3.
По аналогии с характеристиками зон разрушений при воздействии воздушной УВ ядерных взрывов определяют размеры опасных зон, в которых возникнут сильные, возможные (слабые) разрушения жилых и промышленных зданий в районах взрыва газо- и паровоздушных смесей углеводородных газов и жидкостей . Следует сказать, что учитывая импульсный характер воздействия нагрузок от УВ, избыточное давление при взрыве ГВС, вызывающее сильные разрушения, будет примерно в 1,5-1,7 раза больше, чем при ядерном взрыве, т.е примерно ΔР ф ГВС ср ~50 кПа, а возможные слабые разрушения – ΔР ф ГВС сл =20 кПа .
Тогда радиусы зоны сильных (R c) и слабых (R сл) разрушений:
R сл = R 20 = r 0 ·с 20 ,
R c = R 50 = r 0 · с 50
Отношения R 50 /r 0 и R 20 /r 0 могут быть определены как по табл.3, так и по табл.4 . В табл. 4 приведены значения радиусов зон сильных (R c = R 50) и слабых (R cл = R 20) разрушений для массы разлившейся ГВС из разгерметизированной емкости (Q) – Q=1-10000 т и максимальных значений давлений P max =500-2000 кПа .
Таблица 2
Физико-химические и взрывоопасные свойства некоторых веществ и их ГВС
7.3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВА
Основным поражающим действием взрывчатых веществ является ударная волна. Поэтому для определения поражающего действия взрывчатого вещества необходимо рассчитать избыточное давление взрыва
, (7.15)
где р – давление на фронте ударной волны;
р 0 – давление невозмущенного воздуха – атмосферное давление (101кПа).
Величина D р зависит от типа взрывчатого вещества, массы взорванного заряда, расстояния от центра взрыва и характера подстилающей поверхности.
Расчет величины избыточного давления D р проводится в два этапа. На первом этапе находится приведенный радиус зоны взрыва по формуле
,
(7.16)
где R – расстояние от центра взрыва, м;
М – масса заряда, кг;
К – коэффициент, учитывающий характер подстилающей поверхности;
Т Э – тротиловый эквивалент взрывчатого вещества.
В табл. 7.6 приведены значения коэффициента К для разных типов подстилающих материалов.
Таблица 7.6
Значения коэффициента К для разных материалов
|
Материал подстилающей поверхности |
Коэффициент К |
|
Металл |
1.00 |
|
Бетон |
0.95 |
|
Дерево |
0.80 |
|
Грунт |
0.60 |
Тротиловый эквивалент, как было показано выше, – это отношение массы взрывчатого вещества к массе тротила, создающей одинаковое поражающей действие. При Т Э < 1 взрывчатое вещество обладает более сильным разрушающим действием, чем тротил (на один килограмм взрывчатого вещества); при Т Э = 1 взрывчатое вещество имеет такую же разрушающую силу, как и тротил; при Т Э > 1 взрывчатое вещество будет производить меньшее разрушающее воздействие, чем тротил. В табл. 7.3 были приведены значения тротилового эквивалента для промышленных взрывчатых веществ. В табл. 7.7 приведены значения тротилового эквивалента для некоторых боевых взрывчатых веществ.
Таблица 7.7
Значение тротилового эквивалента
для боевых взрывчатых веществ
|
Взрывчатое вещество |
Т Э |
|
Порох |
0.66 |
|
Аммонал |
0.99 |
|
Тротил |
1.00 |
|
Тетрил |
1.15 |
|
Гексоген |
1.30 |
|
ТЭН |
1.39 |
|
Тритонал |
1.53 |
На втором этапе по рассчитанному значению приведенного радиуса (7.16) рассчитывается величина избыточного давления D р . При этом зависимости от величины используются разные формулы. Для значений 6.2 расчет избыточного давления взрыва проводится по формуле:
,
кПа. (7.17)
Для значений > 6.2 расчетная формула для избыточного давления взрыва имеет вид:
,
кПа. (7.18)
Используя рассчитанные значения избыточного давления взрыва , можно провести оценку степени разрушения, производимого взрывом. При оценке поражающего действия взрывчатого вещества выделяют четыре зоны разрушения объектов, характеристики которых приведены в табл. 7.8.
Таблица 7.8
Зоны разрушения объектов
при разных значениях избыточного давления взрыва
|
Зона разрушения |
D р , кПа |
|
Полное разрушение |
Более 50 |
|
Сильные разрушения |
30 ÷ 50 |
|
Средние разрушения |
20 ÷ 30 |
|
Слабые разрушения |
10 ÷ 20 |
Для оценки степени разрушения зданий и сооружений при конкретном взрыве можно использовать табл. 7.9, в которой представлены предельные значения избыточного давления взрыва D р , вызывающие различные степени разрушения.
Таблица 7.9
Значения предельного избыточного давления,
вызывающие различные разрушения зданий и сооружений
|
D р , кПа |
Разрушение |
D р , кПа |
Разрушение |
D р , кПа |
Разрушение |
|
0.5÷3.0 |
Частичное разрушение остекления |
Разрушение перегородок, оконных рам |
Разрушение кирпичных и блочных стен |
||
|
3÷7 |
Полное разрушение остекления |
Разрушение перекрытий |
Разрушение железобетонных конструкций |
Рассмотрим порядок расчета избыточного давления взрыва на следующем примере.
Требуется определить поражающее действие при взрыве заряда тротила массой 100 кг на расстоянии от здания R = 2 м на открытом грунте.
Вначале определим избыточное давление взрыва D р при взрыве тротила по формуле (7.16). Коэффициент К для открытого грунта находим по табл. 7.6. Он составляет 0.60. Тротиловый эквивалент для тротила Т Э = 1 (табл. 7.7).