3.4.2.
Последствия пожаров и взрывов
на объектах экономики
Последствия пожаров и взрывов определяются поражающими фактора- ми, которыми являются: воздушная взрывная волна, основной параметр — избыточное давление в ее фронте; осколочные поля, создаваемые летящими обломками взрывающихся объектов, поражающее действие которых опреде- ляется количеством летящих осколков, их кинетической энергией и радиу- сом разлета.
При пожарах и взрывах люди получают термические (ожоги тела, верх- них дыхательных путей, глаз) и механические (переломы, ушибы, черепно- мозговые травмы, осколочные ранения, комбинированные поражения) по- вреждения.
Принципы тушения пожаров базируются на понимании основных путей прекращения горения — снижения скорости тепловыделения или увеличе- ния скорости теплоотвода от зоны реакции горения. Основное условие: тем- пература горения должна быть ниже температуры потухания.
Известны четыре принципа прекращения горения: охлаждение реагирующих веществ; изоляция реагирующих веществ от зоны горения; разбавление реагирующих веществ до негорючих концентраций или кон- центраций, не поддерживающих горение; химическое торможение реакции горения.
39
Масштабы последствий взрывов зависят от их мощности и среды, в ко- торой они происходят. Радиусы зон поражения могут доходить до несколь- ких километров. Различают три зоны действия взрыва.
Зона I — действие детонационной волны. Для нее характерно интенсив- ное дробящее действие, в результате которого конструкции разрушаются на отдельные фрагменты, разлетающиеся с большими скоростями от центра взрыва.
Зона II — действие продуктов взрыва. В ней происходит полное разру- шение зданий и сооружений под действием расширяющихся продуктов взрыва. На внешней границе этой зоны образующаяся ударная волна отры- вается от продуктов взрыва и движется самостоятельно от центра взрыва.
Исчерпав свою энергию, продукты взрыва, расширившись до плотности, со- ответствующей атмосферному давлению, не производят больше разруши- тельного действия.
Зона III — действие воздушной ударной волны. Эта зона включает три подзоны: IIIа — сильных разрушений; IIIб — средних разрушений; IIIв — слабых разрушений. На внешней границе зоны III ударная волна вырождает- ся в звуковую, слышимую на значительных расстояниях.
На взрывоопасных предприятиях причинами взрывов чаще всего явля- ются разрушения и повреждения производственных емкостей, аппаратуры и трубопроводов; отступление от установленного технологического режима
(превышение давления и температуры внутри производственной аппаратуры и др.); отсутствие постоянного контроля за исправностью производственной аппаратуры и оборудования и своевременностью проведения плановых ре- монтных работ.
Большую опасность для жизни и здоровья людей представляют взрывы в жилых и общественных зданиях, а также в общественных местах. Главная причина таких взрывов — неразумное поведение граждан, в первую очередь детей и подростков. Наиболее частое явление — взрыв газа. Однако в по- следнее время получили распространение случаи, связанные с применением взрывчатых веществ, и прежде всего террористические акты.
Для нагнетания страха террористы могут организовать взрыв, установив взрывные устройства в самых неожиданных местах (подвалах, арендуемых помещениях, снимаемых квартирах, припаркованных автомобилях, тунне- лях, метро, в городском транспорте и т. п.) и использовав как промышлен- ные, так и самодельные взрывные устройства. Опасен не только сам взрыв, но и его последствия, выражающиеся, как правило, в обрушении конструк- ций и зданий.
Сигналами опасности взрыва могут быть: наличие неизвестного свертка или какой-либо детали в машине, на лестнице, в квартире и т. д.; натянутая проволока, шнур; провода или изолирующая лента, свисающие из-под ма- шины; чужая сумка, портфель, коробка, какой-либо предмет, обнаруженный в машине, у дверей квартиры, в метро. Поэтому, заметив взрывоопасный предмет (самодельное взрывное устройство, гранату, снаряд, бомбу и т. п.),
40
не подходите к нему близко, немедленно сообщите о находке в полицию, не позволяйте случайным людям прикасаться к опасному предмету и обезвре- живать его.
Наибольшим разрушениям продуктами взрыва и УВ подвергаются зда- ния и сооружения больших размеров с легкими несущими конструкциями, значительно возвышающиеся над поверхностью земли. Подземные и заглуб- ленные в грунт сооружения с жесткими конструкциями обладают значитель- ной сопротивляемостью разрушению.
Различают несколько степеней разрушения зданий и сооружений: полное — обрушены перекрытия и разрушены все основные несущие конструкции; восстановление невозможно; сильное — имеются
значительные деформации несущих конструкций; разрушена большая часть перекрытий и стен; среднее — разрушены главным образом не несущие, а второстепенные конструкции (легкие стены, перегoродки, крыши, окна, двери); возможны трещины в наружных стенах; перекрытия в подвале не разрушены; в комму- нальных и энергетических сетях значительные разрушения и деформации элементов, требующие устранения; слабое — разрушена часть внутренних перегородок, заполнения дверных и оконных проемов; оборудование имеет значительные деформации; в ком- мунальных и энергетических сетях разрушения и поломки конструктивных элементов незначительны.
Продукты взрыва и образовавшаяся в результате их действия воздушная ударная волна способны наносить человеку различные травмы, в том числе смертельные. Так, в зонах I и IIнаблюдается полное поражение людей, свя- занное с разрывом тела на части, его обугливанием под действием расши- ряющихся продуктов взрыва, имеющих весьма высокую температуру.
В зоне IIIпоражение вызывается как непосредственным, так и косвенным воздействием УВ.
При непосредственном воздействии УВ основной причиной травм у лю- дей является мгновенное повышение давления воздуха, что воспринимается человеком как резкий удар. При этом возможны повреждения внутренних органов, разрыв кровеносных сосудов, барабанных перепонок, сотрясение мозга, различные переломы и т. п. Кроме того, скоростной напор воздуха может отбросить человека на значительное расстояние и при ударе о землю
(или препятствие) человек может получить серьезные повреждения. Мета- тельное действие такого напора заметно сказывается в зоне с избыточным давлением — более 50 кПа (0,5 кгс/см
2
), где скорость перемещения воздуха более 100 м/с, что значительно выше, чем при ураганном ветре.
Характер и тяжесть поражения людей зависят от величины параметров
УВ, положения человека в момент взрыва, степени его защищенности. При прочих равных условиях наиболее тяжелые поражения получают люди, на- ходящиеся в момент прихода УВ вне укрытий в положении стоя. В этом
41
случае площадь воздействия скоростного напора воздуха на человека будет примерно в шесть раз больше, чем в положении лежа.
Поражения, которые человек получает под действием УВ, различаются по степени тяжести: легкие — легкая контузия, временная потеря слуха, ушибы и вывихи ко- нечностей; средние — травмы мозга с потерей сознания, повреждение органов слу- ха, кровотечение из носа и ушей, сильные переломы и вывихи конечностей; тяжелые — сильная контузия всего организма, повреждение внутренних органов и мозга, тяжелые переломы конечностей; возможны смертельные исходы; крайне тяжелые — травмы, обычно приводящие к смертельному исходу.
Характер поражение людей зависит от степени разрушения зданий и со- оружений в момент взрыва. Так, при полных разрушениях следует ожидать гибели всех находящихся в здании людей, при сильных и средних может выжить примерно половина людей, а остальные получат травмы различной степени тяжести. Многие могут оказаться под обломками конструкций, а также в помещениях с заваленными или разрушенными путями эвакуации.
Косвенное воздействие УВ заключается в поражении людей летящими об- ломками зданий и сооружений, камнями, битым стеклом и другими предме- тами, увлекаемыми ею. При слабых разрушениях зданий гибель людей мало- вероятна, однако часть из них может получить различные травмы.
При угрозе взрыва в помещении следует опасаться падения штукатурки, арматуры, шкафов, полок,
держаться подальше от окон, зеркал, светильни- ков. Находясь на улице, необходимо отбежать на ее середину, площадь, пус- тырь, т. е. подальше от зданий и сооружений, столбов и линий электропере- дач. Если вас заблаговременно оповестили об угрозе, прежде чем покинуть жилище или рабочее место, отключите электричество, газ. Возьмите необхо- димые вещи и документы, запас продуктов и медикаментов.
Если в вашей или соседней квартире произошел взрыв, а вы находитесь в сознании и способны двигаться, попытайтесь принять ряд мер. Посмотрите, кому из людей, находящихся рядом с вами, нужна помощь. Если работает телефон, сообщите о случившемся в соответствующие службы. Не старай- тесь воспользоваться лестницей, а тем более лифтом, чтобы покинуть зда- ние: они могут быть повреждены (разрушены). Покидать здание необходимо только в случае начавшегося пожара и при угрозе обрушения конструкций.
Если вас завалило упавшей перегородкой или мебелью, подавайте сигна- лы (стучите по металлическим предметам, перекрытиям), чтобы вас услы- шали и обнаружили. Делайте это при остановке работы спасательного обо- рудования (в минуты тишины). При получении травмы окажите себе по- сильную помощь: устройтесь поудобней, уберите острые, твердые и колющие предметы, укройтесь. Если тяжелым предметом придавило какую- либо часть тела, массируйте ее для поддержания циркуляции крови. Ждите спасателей, вас обязательно найдут.
42
3.4.3.
Виды взрывов на объектах экономики
3.4.3.1.
Взрывы конденсированных взрывчатых веществ,
газо-, паро- и пылевоздушных смесей
Под конденсированными взрывчатыми веществами (КВВ) понимаются химические соединения или смеси, находящиеся в твердом или жидком со- стоянии и под влиянием определенных внешних условий способные к быст- рому самораспространяющемуся химическому превращению с образованием сильно нагретых и обладающих большим давлением газов, которые, расши- ряясь, производят механическую работу.
Горение КВВ — это процесс взрывчатого превращения, обусловленный передачей энергии от одного слоя взрывчатого вещества к другому путем теплопроводности и излучения тепла газообразными продуктами.
Взрывчатые характеристики КВВ зависят от их природы и состояния.
Наиболее важными из них являются: чувствительность к внешним воздействиям; энергия (теплота); скорость детонации; бризантность; фугасность (работоспособность).
КВВ принято делить на четыре группы: инициирующие — предназначенные для возбуждения взрывчатого пре- вращения в КВВ других групп (гремучая ртуть, азид свинца, тетразен); бризантные — используемые в разрывных зарядах для боеприпасов, средств разрушения при добыче полезных ископаемых и др.; преимущест- венным видом их превращения является детонация; это однородные ВВ
(тринитротолуол, нитроглицерин, пироксилин и др.) и неоднородные — ме- ханические смеси (аммониты, динамиты и др.); метательные — чаще всего это порох, использующийся в качестве мета- тельного заряда для огнестрельного оружия; их взрывчатое превращение — дефлаграционное горение; пиротехнические составы.
Массу заряда и мощность взрыва ВВ или ядерного взрыва (ЯВ) принято оценивать тротиловым эквивалентом в килограммах, кг, или килотоннах, кт
(1 кт = 1000 кг).
Масса заряда ВВ (ЯВ) в тротиловом эквиваленте составляет
ВВ
,
C C K
=
где C
ВВ
— масса заряда данного ВВ, кг (кт); K — коэффициент пересчета данного ВВ на тротиловый эквивалент (величина табличная):
K = Q
ВВ
/ Q
т
, где Q
ВВ
и Q
т
— теплоты взрыва данного ВВ и тротила соответственно
(Q
т
= 4240 кДж/кг).
43
Мощность взрыва ВВ (ЯВ) в тротиловом эквиваленте (полный тротило- вый эквивалент взрыва) определяется зависимостями: для воздушного взрыва
*
т
ВВ
;
С
KC
=
для наземного взрыва т
ВВ
2
,
С
KC
= η
где 2
η — поправочный коэффициент для наземного взрыва. Мощность на- земного взрыва удваивается за счет формирования полусферической волны и отражения части энергии от земли, а коэффициент
η учитывает расход энергии взрыва на деформацию и выброс грунта (образование воронки) и со- ставляет для стальных плит 0,95…1; бетона 0,85…0,95; плотных грунтов 0,8; средних грунтов 0,6…0,65.
Параметры УВ и теплового излучения взрывов определяются половин- ной мощностью взрыва (половиной тротилового эквивалента взрыва), назы- ваемым тротиловым эквивалентом по УВ:
ВВ
T
ВВ
0,5
— для воздушного взрыва;
0,5 0,5 2
— для наземного взрыва.
jc
KC
С
С
KC
⎧
=
= ⎨
⋅ η
⎩
Избыточное давление
ΔР
Ф
, кПа, для свободно распространяющейся сфе- рической ударной волны определяется по формуле
Ф
2 3
84 270 700
,
P
R
R
R
Δ =
+
+
где R — приведенное расстояние (высота), м/кг
1/3
:
3
ВВ
0,5
R
R
KC
=
— для воздушного взрыва;
3
ВВ
R
R
RC
=
η
— для наземного взрыва.
Некоторые промышленные производства сопровождаются образованием пылевоздушных смесей (ПЛВС).
Опыт ликвидации ЧС на взрыво- и пожароопасных производствах позво- ляет сделать вывод о вероятности взрывов ПЛВС (рис. 2) в мукомольном производстве, на зерновых элеваторах (мучная пыль), при обращении с кра- сителями, серой, сахаром и другими порошкообразными пищевыми продук- тами, в производстве пластмасс, лекарственных препаратов, на установках дробления топлива (угольная пыль), в текстильном производстве.
*
Для воздушного взрыва масса заряда и мощность взрыва численно совпадают.
44
Рис. 2. Взрыв ПЛВС
Процесс окисления протекает на поверхности твердых частиц пыли. Ин- тенсивность горения ПЛВС зависит от размера частиц и содержания кисло- рода в системе.
Мелкодисперсная пыль обладает большей активностью, бо- лее низкой температурой самовоспламенения и широким интервалом между нижним и верхним концентрационными пределами взрываемости. Если кон- центрация пыли в определенном объеме недостаточна (т. е. расстояние меж- ду отдельными частицами, находящимися во взвешенном состоянии, вели- ко), то перенос пламени от частицы к частице невозможен, а значит, взрыв не произойдет. Чрезмерно большое количество пыли также препятствует взрыву, так как в этом случае слишком мало кислорода для ее сгорания.
Взрывоопасные ПЛВС могут возникать спонтанно, например при встря- хивании осевшей пыли. В замкнутом объеме технологического аппарата на- чавшееся горение и распространение пламени в ПЛВС приводит к быстро нарастающему повышению давления, что может вызвать разрыв аппарата, а затем и взрыв в помещении.
Уровень опасности пыли характеризуется следующими основными пока- зателями: концентрационными пределами воспламенения; объемной плотностью энерговыделения; максимальным давлением, возникающим при воспламенении; скоростью распространения пламени; временем нарастания давления при взрыве; максимально допустимым содержанием кислорода в смеси пыли с возду- хом, при котором пыль не воспламеняется.
Пылевой взрыв — неконтролируемый процесс взрывного горения. Вос- пламенение, горение и взрыв ПЛВС представляют собой комплекс взаимосвя- занных физико-химических процессов. Горение сопровождается выделением
45
тепла, появлением пламени и образованием газообразных продуктов сгора- ния. Скорость распространение пламени не превышает скорость звука. Если при горении ПЛВС с дозвуковой скоростью распространения пламени обра- зуются сжатые газы, способные совершать механическую работу, то такое горение называется взрывным.
Горение аэрозоля органической пыли, являющееся основой взрыва, про- исходит следующим образом. При воспламенении аэрозоля пылинки, нахо- дящиеся вблизи источника воспламенения, нагреваются до температуры распада, происходит их газификация. Образовавшиеся продукты газифика- ции, нагреваясь до температуры воспламенения, сгорают, тепло в результате излучения, теплопроводности и конвекции из зоны воспламенения передает- ся прилегающим к ней негорящим частицам, которые, воспламеняясь, стано- вятся источниками возгорания последующих слоев смеси. Так возникают условия для развития цепного, лавинообразного процесса горения ПЛВС.
Воспламенение и взрывное горение ПЛВС возможно только при опреде- ленной дисперсности пыли, в соответствующем диапазоне ее концентрации и при достаточной энергии источника зажигания. Если концентрация пыли ниже нижнего предела воспламенения, то даже при наличии источника вос- пламенения самораспространяющийся устойчивый процесс горения смеси не возникает. Пламя из зоны контакта с источником зажигания не может распространиться по всему ее объему из-за большого расстояния между час- тицами. При концентрации выше верхнего предела воспламенения ПЛВС не загорается: вследствие большого количества частиц не хватает кислорода, необходимого для поддержания и развития окислительных процессов.
Условия для взрыва ПЛВС возникают при концентрации пыли между нижним и верхним пределами воспламенения. Максимальное давление взрыва аэрозоля достигается при оптимальном соотношении горючей пыли и кислорода (окислителя), характерном для каждого вида пыли.
При горении аэрозоля в замкнутом объеме взрывное давление достигает максимального уровня. Если взрывное горение аэрозоля происходит в полу- замкнутом объеме, то давление будет зависеть от величины вскрытых сече- ний, через которые происходит истечение газообразных продуктов взрыва.
В обоих случаях давление взрыва может стать значительным и привести к разрушению аппарата или сооружения, в объеме которого произошел взрыв.
Влажность и зольность пыли, а также инертные добавки снижают ее взры- воопасность: повышается нижний предел воспламенения, уменьшается мак- симальное давление взрыва и скорость его нарастания. Снижение влажности увеличивает взрывоопасность пыли. Наиболее опасны пыли, влажность кото- рых составляет менее 11 %. При влажности более 18 % трудно получить ус- тойчивое горение ПЛВС. Снижение взрывоопасности мучной и зерновой пы- ли происходит при зольности продукта более 10 %. Наличие в пыли более
70 % инертных добавок делают аэрозоль практически невзрывоопасным.
На динамику возникновения и развития пылевого взрыва влияет источ- ник воспламенения. Увеличение мощности и температуры источника,
46
площади его воспламеняющей поверхности вызывает воспламенение аэро- золя при более низком концентрационном пределе воспламенения, возраста- ет скорость распространения пламени в объеме смеси. Установлено, что са- харная пыль скорее взорвется от накаленного до температуры 1200 °С тела
(концентрация 10,3 г/м
3
), чем от искры индукционной катушки напряжением
6,5 В и силой тока 3 А (концентрация 34,4 г/м
3
).
Пыль,
содержащаяся в воздухе, оседает на стенах, полах, оборудовании и строительных конструкциях, образуя легко взвихриваемый аэрогель. Опас- ность его состоит в том, что от порыва ветра или сотрясения аэрогель под- нимается в воздух, создавая в локальном объеме взрывоопасную ПЛВС. Рос- сыпи пыли являются также источником образования взрывоопасной ПЛВС в помещении, особенно при локальных вспышках аэрогеля.
Факторами, способствующими развитию и распространению первона- чального взрыва до серии взрывов ПЛВС, являются: повышенная запыленность помещений; наличие связи между отдельными технологическими аппаратами, поме- щениями и зданиями; присутствие мелкодисперсного продукта в магистралях.
ПЛВС взрывоопасной концентрации, образовавшаяся в силосе или бун- кере, приводит к взрыву в следующих случаях: обрушение свода, разгрузка и очистка силоса (бункера), наличие в нем источника воспламенения (очага самовозгорания, тлеющего продукта, искры и т. д.); воспламенение ПЛВС пламенем взрыва, произошедшего в оборудовании, соединенном с этим силосом; сдув пыли со стенок струей продуктов горения, воздушной волной от взрыва, происшедшего вне силоса, в нории, самотечной трубе, аспирацион- ном трубопроводе, в соседнем бункере, и последующее воспламенение
ПЛВС подошедшим фронтом пламени.
Взрыв в системе аспирации возможен в случае воспламенения отложе- ний пыли в трубопроводах и циклонах при проведении сварочных работ на неостановленном или не очищенном от пыли оборудовании, трении лопаток вентилятора о корпус, попадании продуктов взрыва из аспирируемого обо- рудования.
Воспламенение ПЛВС возможно в дробилке, вальцовом станке при попа- дании в них металлического предмета, его заклинивании и искрообразовании; вальцовом станке при перекосе размольных вальцов; нориях и цепных кон- вейерах при трении буксующей ленты о барабан или цепи о корпус; дробилке при работе вхолостую, отсутствии продукта в наддробильном бункере и т. д.
В случае полной нагрузки в свободном объеме дробилки концентрация горючего выше верхнего концентрированного предела воспламенения. При взрыве в ней на холостом режиме продукты сгорания проходят по самотеч- ным трубам, бункерам и др., вызывая повторные взрывы.
47
Взрыв в помещении происходит вследствие развития первичного взры- ва внутри оборудования и наличия отложений пыли на нем и строительных конструкциях. Взрыв распространяется через монтажные проемы и между- этажные перекрытия. Газовоздушная волна и пламя, попадая в смежные помещения, взвихривают отложения пыли с последующим ее воспламене- нием. Процесс может сопровождаться интенсивным выбросом пламени из здания.
При взрыве разрушаются строительные конструкции. Степень разруше- ния зависит от наличия легкосбрасываемых конструкций, их площади, при- ходящейся на единицу объема.
При отсутствии легкосбрасываемых конструкций возможно полное раз- рушение стен и перекрытий зданий.
Зарегистрированы случаи, когда воздушная волна, образовавшаяся при взрыве, повредила стекла в окнах зданий, расположенных в радиусе 200 м.
Взрывное горение может происходить по одному из двух режимов — дефлаграционному или детонационному. При оперативном прогнозировании последствий принимают, что процесс развивается в детонационном режиме.
Зону детонационной волны, ограниченную радиусом
r0
, м, можно опре- делить по формуле
3 0
1
Э,
24
r=
где
1 24
— коэффициент, м/кДж
1/3
; Э — энергия взрыва смеси, кДж, опреде- ляемая из выражения
ГПВС СТХ
СТХ
Э
,
VQ=
ρ
где
VГПВС
— объем смеси, м
3
: г
ГПВС
100
,
С
VV=
ρ
СТХ
— плотность смеси стехиометрического состава, кг/м
3
;
QCTX
— энергия взрывчатого превращения единицы массы смеси стехиометрического соста- ва, мДж/кг;
Vг
— объем газа в помещении, м
3
; С — стехиометрическая кон-
центрация горючего по объему, % (табл. 3).
Энергия взрыва, кДж, определяется из выражения
,
Э mQ=
где
m — расчетная масса пыли, кг;
Q — удельная теплота сгорания вещест- ва, образовавшего пыль, МДж/кг (табл. 4).
При оперативном прогнозировании расчетная масса пыли определяется из условия, что свободный объем помещения будет полностью заполнен взвешенным дисперсным продуктом, образуя при этом ПЛВС стехиометри- ческой концентрации:
48 0
C 1000,
m V
=
где V
0
— свободный объем помещения,
V
0
= 0,8
V
п м
3
; С — стехиометриче- ская концентрация пыли, г/м
3
:
НКПР
C 3
,
≈ ϕ
где
ϕ
НКПР
— нижний концентрационный предел распространения пламени, т. е. минимальное содержание пыли в смеси с воздухом, при котором воз- можно возгорание (см. табл. 4).
Значение
ϕ
НКПР
для различных веществ: неорганические вещества (сера, фосфор) — 2…30 г/м
3
; пластмассы — 20…100 г/м
3
; пестициды и красители — 30…300 г/м
3
; шерсть — 100…200 г/м
3
Т а б л и ц а 3
Характеристика газо- и паровоздушных смесей
Показатель
Вещество, образующее смесь
Формула вещества, образующего смесь
M
к
, кг/моль
ρ, кг/м
3
Q
СТХ
,
МДж/кг
С, %
Газовоздушные смеси
Аммиак
СН
3 15 1,180 2,370 19,72
Ацетилен
С
2
Н
2 26 1,278 3,387 7,75
Бутан
C
4
H
10 58 1328 2,776 3,13
Бутилен
C
4
H
8 56 1,329 2,892 3,38
Винилхлорид
C
2
H
3
Cl
63 1,400 2,483 7,75
Водород
Н
2 2
0,933 3,425 29,59
Дивинил
C
4
H
6 54 1,330 2,962 3,68
Метан
СН
4 16 1,232 2,763 9,45
Окись углерода
СО
28 1,280 2,930 29,59
Пропан
С
3
Н
8 44 1,315 2,801 4,03
Пропилен
С
3
Н
6 42 3,314 2,922 4,46
Этан
С
2
Н
6 30 1,250 2,797 5,66
Этилен
С
2
Н
4 28 1,285 1,285 6,54
Паровоздушные смеси
Ацетон
С
3
Н
6
О
58 1,210 3,112 4,99
Бензин авиационный
—
94 1,350 2,973 2,10
Бензол
С
6
Н
6 78 1,350 2,937 2,84
Гексан
С
6
Н
14 86 1,340 2,797 2,16
Дихлорэтан
С
2
Н
4
С
12 99 1,49 2,164 6,54
Диэтиловый эфир
С
4
Н
10
О
74 1,360 2,840 3,38
Ксилол
С
6
Н
10 106 1,355 2,830 1,96
Метанол
СН
4
О
32 1,300 2,843 12,30
Пентан
С
5
Н
12 72 1,340 2,797 2,56
Толуол
С
7
Н
8 92 1,350 2,843 2,23
Циклогексан
С
6
Н
12 84 1,340 2,797 2,28
Этанол
С
2
Н
6
О
46 1,340 2,804 6,54
49
Т а б л и ц а 4
Характеристика некоторых аэрозолей
Показатель взрывных явлений пыли
Вещество
ϕ, г/м
3
Q, МДж/кг
Полистирол 27,5 39,8
Полиэтилен 45,0 47,1
Метилцеллюлоза 30,0 11,8
Полиоксадиазол 18,0 18,0
Пигмент зеленый (краситель) 45,0 42,9
Пигмент бордо на полиэтилене 39,0 42,9
Нафталин 2,5 39,9
Фталиевый ангидрид 12,6 21,0
Уротропин 15,0 28,1
Адипиновая кислота 35,0 19,7
Сера 2,3 8,2
Алюминий 58,0 30,13
3.4.3.2. Взрывы сосудов, работающих под давлением
Сосудами, работающими под давлением, называются герметически за- крытые емкости, предназначенные для ведения химических и тепловых про- цессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворен- ных газов и жидкостей под давлением.
Основная опасность при эксплуатации таких сосудов заключается в воз- можности их разрушения при внезапном адиабатическом расширении газов и паров (т. е. при физическом взрыве). Причинами взрывов сосудов, рабо- тающих под давлением, могут быть ошибки, допущенные при их проектиро- вании и изготовлении, дефекты материалов, потеря прочности в результате местных перегревов, ударов, превышение рабочего давления в результате отсутствия или неисправности контрольно-измерительных приборов, отсут- ствие или неисправность предохранительных клапанов, мембран, запорной и отключающей арматуры.
Особенно опасны взрывы сосудов, содержащих горючую среду, так как осколки резервуаров даже большой массы (до нескольких тонн) разлетаются на расстояние до нескольких сот метров и при падении на здания, техноло- гическое оборудование, емкости вызывают разрушения, новые очаги пожа- ра, гибель людей.
При взрывах сосудов развиваются большие мощности, приводящие к значительным разрушениям. Так, мощность, выделяемая при взрыве сосу- да емкостью 1 м
3
, содержащего воздух под давлением 1,2 МПа, при длитель- ности взрыва в 0,1 с, составляет 28 МВт.
Деятельность нанимателей, связанная с проектированием, изготовлени- ем, реконструкцией, наладкой, монтажом, ремонтом, техническим диагно- стированием и эксплуатацией сосудов, работающих под давлением, является
50
лицензируемой, регламентируется соответствующими правилами, которые распространяются: на сосуды, работающие под давлением воды с температурой выше 115 °С или другой жидкости с температурой, превышающей температуру кипения при давлении 0,07 МПа (0,7 кгс/см
2
), без учета гидростатического давления; сосуды, работающие под давлением пара или газа свыше 0,07 МПа
(0,7 кгс/см
2
); баллоны, предназначенные для транспортирования и хранения сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением свыше 0,07
МПа
(0,7 кгс/см
2
); цистерны и бочки для транспортирования и хранения сжатых и сжижен- ных газов, давление паров которых при температуре до 50 °С превышает давление 0,07 МПа (0,7 кгс/см
2
); цистерны и сосуды для транспортирования или хранения сжатых, сжи- женных газов, жидкостей и сыпучих тел, в которых давление выше 0,07 МПа
(0,07 кгс/см
2
) создается периодически для их опорожнения; барокамеры.
3.4.3.3. Взрывы технологических систем со сжатыми негорючими газами При
взрыве под давлением сосудов, имеющих форму шаровых газ- гольдеров и баллонов, могут возникать сильные УВ. В результате образу- ется большое число осколков, что приводит к серьезным разрушениям и травмам.
Общая энергия взрыва технологических систем со сжатым негорючим газом, кДж, определяется по формуле
1 0
1
,
1
rP PEVk−
=
−
где
Р1
— начальное давление газа в сосуде, кПа;
kr — показатель адиабаты газа (
kr =
pvCC);
V1
— объем сосуда, м
3
Для технологических объектов с высокими значениями параметров сжа- тых газов и энергетических потенциалов уровень опасности можно оцени- вать по энергетическим балансам как ударных волн (
Еу. в
= 0,6...0,4
Е), так и разлета осколков (
Еоск
= 0,4...0,6
Е).
В этом случае
ТНТ
ТНТ
(0,4...0,6)
,
ЕmQυ
=
где
ТНТ
Qυ
— энергия взрыва тротила (
ТНТ
Qυ
= 4520 кДж/кг).
Изменение избыточного давления на фронте ударной волны при взрыве сосуда со сжатым газом можно определить по формулам
51
( )
( ) (
)
*
1/2 3
*
Ф
0
*
1/2 2
*
*
4 1
при 0 2,
1 1 1 25 4
1
при
2,
1 1 1 50
ln 0,5 1
R
k
k
R
P
Р
R
r
k R
R
⎧
≤
≤
⎪ +
⎡
⎤
− + +
α
⎪
⎢
⎥
⎪
⎣
⎦
Δ =
⎨
⎪
>
⎪ +
⎡
⎤
− + +
−
⎪
⎢
⎥
⎣
⎦
⎩
где k = 1,4 — показатель адиабаты для воздуха;
α — скорость звука в возду- хе, м/с:
(
)
1,1768 0,139451 lg
1
*
2,1448 0,23251 lg
*
0,3546(
1)
при
2,
1,238
при
2.
k
k
k
R
k
R
−
−
−
−
+
⎧
−
≤
⎪
α = ⎨
>
⎪⎩
Положительный импульс давления фазы сжатия составляет
0 0,01323 (
1)
k k
P R
I
+
+
=
α
3.4.3.4.
Взрывы технологических систем
с перегретыми жидкостями
В различных отраслях промышленности приходится иметь дело с огром- ными массами как нейтральных, так и горючих перегретых жидкостей, к ко- торым относятся сжиженные углеводородные газы — хлор, аммиак, фреоны и др. Жидкость, имеющая температуру кипения ниже температуры окру- жающей среды, является перегретой при высоких температурах и давлениях, превышающих атмосферные (например, вода в паровых котлах). Уровень перегрева жидкости обычно характеризуется разностью между температу- рой, при которой она находится в технологической системе, и температурой ее кипения при атмосферном давлении. Если сосуд (система) с перегретой жидкостью внезапно разрушается, жидкость быстро испаряется, при этом образуется пар и формируются УВ.
В зависимости от давления и температуры вещество может находиться в различных агрегатных состояниях: категория I — вещества с критической температурой ниже температуры окружающей среды (криогенные вещества — сжиженный природный газ, азот, кислород); категория II — вещества с критической температурой выше и точкой ки- пения ниже, чем температура окружающей среды (сжиженный нефтяной газ, пропан, бутан в теплую погоду, аммиак, хлор); их особенностью является мгновенное испарение части жидкости при разгерметизации и охлаждение оставшейся доли до точки кипения при атмосферном давлении; категория III — жидкости, у которых критическое давление выше атмо- сферного и температура кипения выше температуры окружающей среды
(вещества, находящиеся в обычных условиях в жидком состоянии, например
52
вода); также это некоторые вещества из предыдущей категории (например, бутан в холодную погоду); категория IV — вещества, содержащиеся при повышенных температурах
(водяной пар в котлах, циклогексан и другие жидкости под давлением и тем- пературе, превышающей их точку кипения при атмосферном давлении).
Критические параметры и плотность некоторых сжиженных веществ приведены в табл. 5.
Т а б л и ц а 5
Значения критических параметров и плотности некоторых веществ
в сжиженном состоянии
Вещество
t
кип
, °С, при Р
0
= 0,1 МПа
t
кр
, °С
Р
кр
, МПа Р
сж
, кг/м
3
Водород
–252,00
–240,0 1,28 71
Азот
–196,00
–147,0 3,40 807
Кислород
–183,00
–118,0 5,05 1135
Метан
–164,00
–82,0 4,65 424
Хетрафторметан
–128,00
–
45,5
—
1960
Этилен
–103,70 9,5 5,02 567
Этан
–
88,60 32,1 4,83 546
Диоксид углерода
–78,52 31,0 7,40 1180
Пропилен
–
47,70 91,4 4,55 608
Пропан
–
42,17 96,8 4,21 582
Хлор
–34,50 144,0 7,70 1563
Аммиак
–33,35 132,4 11,30 682
Бутан
–
0,60 153,0 3,70 601
Циклогексан
80,70 280,0 4,01 715
Вода
100,00 374,0 21,80 1000
Для энергетической оценки опасности взрыва перегретой жидкости не- обходимо знать долю жидкости, мгновенно испарившейся за счет внутрен- ней энергии перегрева:
m
Т
= (
Н
Т
–
Н
0
) /
L
исп
, где m
T
— доля мгновенно испарившейся в адиабатическом режиме жидкости при температуре Т; Н
Т
— удельная энтальпия жидкости при температуре
Т;
Н
0
— удельная энтальпия жидкости при температуре кипения при атмосфер- ном давлении; L
исп
— удельная теплота испарения при температуре кипения и атмосферном давлении.
Возможны три сценария развития аварии сосуда с перегретой жидкостью.
В случае полного разрушения сосуда теоретическое время испарения
τ
исп несложно вычислить, принимая, что пары без перемешивания с воздухом образуют полусферическое облако радиусом
R
полусф и мгновенно образую- щийся пар перемещается от поверхности жидкости до края облака со скоро- стью звука в паре
α
пар
. Объем облака представляет собой сумму объемов
53
парового выброса
Vпар и объема неиспарившейся жидкости
Vж
. Радиус полу- сферы можно найти, исходя из элементарных геометрических соотношений:
3
пар ж
полусф
2
,
3
V VVR=
+
= π
Rполусф
= 0,78
V 1/3
Теоретическое время испарения составляет
τ
исп
= 0,78(
V –
Vж
)
1/3
/
α
пар
При взрыве сосуда с перегретой жидкостью 40 %
энергии взрыва перехо- дит в энергию осколков, а 60 % — в энергию УВ.
В случае перегретой горючей жидкости облако пара может воспламе- ниться с образованием огненного шара.
При нарушении герметичности сосуда выше уровня жидкости (трещины, коррозия, усталость, механические повреждения и т. п.) даже в случае не- большого отверстия истечение пара будет продолжаться до тех пор, пока не испарится вся жидкость.
При повышении давления в сосуде со сжатым газом или перегретой жид- костью, а также при постороннем механическом воздействии в стенке сосуда возникают напряжения, которые при достижении определенной величины могут привести к его разрушению. Величина напряжения в стенке сосуда сферической формы радиусом
r и толщиной
δ определяется по формуле
σ = Δ
Рr / 2
δ.
Если величина напряжения превышает значение временного сопротивле- ния
Rип материала стенки, имеет место разрушение последней. Это происхо- дит при давлении
Δ
Р = 2δ
Rип
/
r.
Образующиеся при взрыве сосуда осколки имеют среднюю начальную скорость разлета, м/с: оск г
0
об
2
,
E МwМ=
где
Еоск
— энергия взрыва, идущая на образование и разлет осколков, кДж/кг:
Еоск
= (0,4...0,6)
1 0
г г
(
1)
vP PQk⎡
⎤
−
+
⎢
⎥
ρ
−
⎣
⎦
, где
Qv — энергия взрыва газа, Дж/кг; ρ
г
— плотность газа при давлении
Р1
, кг/м
3
;
Мг и
Моб
— массы газа и оболочки сосуда соответственно, кг.
Образовавшиеся осколки разлетаются со скоростью, м/с, определяемой по формуле Г. И. Покровского:
54
w = woexp ос
RL⎛
⎞
−
⎜
⎟
γ
⎝
⎠
, где
γ — отношение плотностей материала оболочки и воздуха:
γ = ρ
об
/
ρ
воз
;
R — радиус разлета осколков, м:
R*2
w/ ,
Н g где
R* — максимальный радиус, в котором разлетаются осколки, м (
R <
R*);
Н — высота центра взрыва, м;
g — ускорение свободного падения, равное
9,81 м/с
2
;
2 2
oc oc oc
ldh=
+
— характерный размер осколка, имеющего форму цилиндра диаметром
doc и длиной
hос
, м.
При разрушении цилиндрического резервуара образуется поле осколков разного размера, но для приближенных расчетов можно принять, что все ос- колки имеют цилиндрическую форму с длиной
hoc
, равной толщине оболоч- ки сосуда об
σ
, и диаметром
doc
, м: об об oc
0
у об
,
rdw Eσ
=
ρ
где
rоб
— радиус оболочки сосуда, м;
σ
об
— предельное динамическое сопро- тивление разрушению;
Еу
— модуль упругости;
ρ
об
— плотность материала оболочки сосуда.
Масса одного осколка, кг, составляет
2
ос об ос oc
0,25
,
md h=
ρ π
а количество образующихся осколков определяется из соотношения
n =
Мо6
/
mос
Разлетающиеся осколки оболочек взрывчатых веществ (устройств), сосу- дов со сжатыми и горючими газами наряду с образующейся УВ являются основными причинами возникновения вторичных эффектов взрыва.
Скачать 1.59 Mb.