оценка параметров промышленных взрывов
реклама
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» С.А. КАРАУШ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВОВ Учебное пособие Томск Издательство ТГАСУ 2014 1 УДК 504.6:614.841.41(075.8) ББК 20.1:20.08я7 К 21 Карауш, С.А. Оценка параметров промышленных взрывов [Текст] : учебное пособие / С.А. Карауш. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2014. – 96 с. ISBN 978-5-93057-583-5 В пособии рассматриваются методики оценки параметров промышленных взрывов, которые используются для анализа их возможных последствий. Для изучения материала к каждой теме дается краткое пояснение с необходимыми справочными данными, которые студент затем может применить при самостоятельном решении поставленных задач. По некоторым темам приведены поясняющие примеры нахождения параметров взрыва. Предназначено для практических занятий и самостоятельной работы бакалавров направления подготовки 280700 «Техносферная безопасность» и будет полезно читателям, занимающимся вопросами взрывов и взрывных технологий на производстве. УДК 504.6:614.841.41(075.8) ББК 20.1:20.08я7 Рецензенты: Логинов В.С., докт. физ.-мат. наук, профессор кафедры теоретической и промышленной теплотехники Национального исследовательского Томского политехнического университета; Семухин Б.С., докт. техн. наук, профессор кафедры «Охрана труда и окружающей среды» ТГАСУ. ISBN 978-5-93057-583-5 2 © Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2014 © С.А. Карауш, 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение …………………………………………………….............................. ….…. 4 Памятка студенту ……………………………………………………………... ..…..5 1. Общие сведения о взрывах ............................................................................…. 6 2. Основные параметры промышленных взрывов .................................... ….…13 3. Химические взрывы ………………………………………………………. ……16 3.1. Определение режима взрывного превращения облака газопаровоздушной смеси в пространстве ……………………………….. …. 16 3.2. Интенсивность излучения от «огненного шара» и время его существования …………………………………………………………....... …..20 3.3. Расчет избыточного давления взрыва газопаровоздушной смеси в помещении ……………………………………………………………….. …..29 3.4. Расчет избыточного давления взрыва горючей пыли в помещении …..34 . 3.5. Расчет параметров волны давления при взрыве газопаровоздушной смеси в открытом пространстве ..…………………… …..37 4. Физические взрывы ………………………………………………………... …43 4.1. Расчет параметров волны давления при взрыве резервуара с перегретой жидкостью или сжиженным газом при воздействии на него очага пожара ……………………………………………………..... …..44 4.2. Расчет параметров волны давления при взрыве резервуара с перегретой водой ………………………………………………………..... …..52 4.3. Расчет параметров взрыва резервуара с химически инертным газом ………………………………………………………….…………....... …..57 5. Тротиловый эквивалент взрыва и определение зон разрушений ........…61 5.1. Расчет участвующей во взрыве массы вещества …………………...…..61 5.2. Оценка уровня воздействия взрыва по тротиловому эквиваленту ...…..64 5.3. Определение радиусов зон разрушений при взрывах …………….... …..69 6. Взрывозащита технологического оборудования и зданий …………….....75 6.1. Предохранительные мембраны ……………………………………..... …..75 6.2. Предохранительные взрывные клапана ………………………………. …..80 6.3. Взрывозащита зданий и сооружений ………………………………...... ....85 6.4. Предохранительные клапана ………………………………………..... …..87 Заключение ……………………………………………………………………......93 Библиографический список ............................................................................…94 3 ВВЕДЕНИЕ Пожары и взрывы в сфере материального производства всегда причиняли значительный материальный и социальный ущерб экономике любой страны, а в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Вот почему так необходима подготовка специалистов по направлению 280700 «Техносферная безопасность», которые занимаются решением вопросов предотвращения пожаров и взрывов, обеспечением безопасности технологических процессов и производств, где используются горючие вещества и материалы. Учебное пособие по дисциплине «Теория горения и взрыва» для проведения практических занятий написано в строгом соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 280700 «Техносферная безопасность». Основной целью пособия является научить студента пользоваться нормативными методиками и проводить расчеты по оценке последствий взрывов, научить его анализировать потенциальную взрывоопасность различных горючих веществ. В результате освоения данного раздела дисциплины студент должен: уметь рассчитывать параметры ударной волны, определять скорость распространения пламени и оценивать последствия взрыва. Для возможности работать самостоятельно с учебным пособием в нем приводятся поясняющие примеры. Представленный в пособии материал будет полезен для студентов других специальностей при изучении дисциплин, связанных с процессами взрывов. Автор выражает искреннюю благодарность рецензентам за ценные указания и пожелания, которые позволили улучшить качество пособия. 4 ПАМЯТКА СТУДЕНТУ При работе с данным учебным пособием студент должен придерживаться следующих требований: 1. Перед решением каждой задачи ознакомиться с кратким теоретическим материалом по изучаемой теме и понять смысл процессов, происходящих при конкретном взрыве. При необходимости студент может обратиться к учебной литературе [1, 2]. 2. Перед началом выполнения самостоятельного задания обязательно должно быть записано условие задачи и исходные данные к ней в соответствии с вариантом студента. 3. Каждая задача должна по ходу решения сопровождаться краткими пояснениями с указанием параметров, которые находятся, и их размерности. При решении задания обязательно использовать систему СИ. 4. Пояснения должны быть краткими и сделаны грамотным, четким техническим языком, с выполнением правил русского языка. 5. При использовании какого-либо метода расчета формулы приводятся в буквенном выражении, а затем в цифровом. Результаты вычислений указываются с размерностями полученных величин. 6. При необходимости по ходу текста следует приводить иллюстрации (эскизы, схемы, графики), поясняющие ход решения задания. 7. После выполнения индивидуального самостоятельного задания обязательно необходимо сделать выводы по полученным результатам расчета. 8. Выполненное индивидуальное задание должно быть сдано преподавателю на проверку. Если преподаватель обнаружил ошибки или неточности, их необходимо исправить. 5 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЗРЫВАХ Особую опасность, с точки зрения возможных потерь и ущерба для производства, представляют взрывы различной природы. Взрыв – быстрое неуправляемое физическое или химическое превращение вещества, сопровождающееся образованием большого количества сжатых газов, под высоким давлением которых могут происходить разрушения различных объектов. При взрыве потенциальная энергия системы переходит в механическую работу. Характер действия взрыва – резкий удар сжатых газов по окружающей среде, вызывающий разрушение предметов, конструкций на относительно небольших расстояниях от места взрыва. В зависимости от вида энергоносителей и условий энерговыделения взрыв может быть химическим, физическим, ядерным и др. Рассмотрим только два первых вида взрыва. Применительно к производственным процессам при химическом взрыве идет химическое взаимодействие между горючим и окислителем. Участвующие в реакциях горючие вещества могут быть твёрдыми, жидкими, газообразными, а также аэрозолями (жидкие капли и твёрдые частицы в воздухе). При взаимодействии этих веществ с кислородом воздуха или другим окислителем происходит лавинообразная химическая реакция, называемая взрывом. Физический взрыв чаще всего связан с неконтролируемым высвобождением потенциальной энергии сжатых газов, паров или жидкостей из замкнутых объёмов сосудов, машин и аппаратов. При таком взрыве его сила зависит от внутреннего давления содержимого в резервуаре. Если при химическом взрыве (взрывное горение) достигаются скорости распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука 6 в данной среде, то такой взрыв называют дефлаграционным. При этом генерируются ударные волны. В определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационное горение, при котором скорость распространения пламени является максимальной и превышает скорость распространения звука в окружающей среде. Скорость детонации является величиной, постоянной для данного вещества. Возникшая при взрыве ударная (взрывная) волна есть движение окружающей среды. Ударная волна образуется газообразными продуктами взрыва, которые, расширяясь, производят резкий удар (по грунту, воздуху, воде и т. п.). В результате такого удара прилегающий к заряду слой окружающей среды сжимается и, стремясь расшириться, сжимает следующий слой среды, затем следующий и т. д. Так движется ударная волна. Одновременно со сжатием в слоях среды происходит резкое повышение давления – скачок давления, и вся масса сжатой среды приходит в движение в направлении от центра взрыва. Граница, отделяющая невозмущенную окружающую среду от среды, подвергшейся действию ударной (взрывной) волны, называется фронтом ударной волны. Взрывы могут быть управляемыми и неуправляемыми. В строительстве и народном хозяйстве управляемые взрывы используются при разрушении горных пород, сносе старых зданий и сооружений, разрушении ледяных заторов на реках, штамповке и сварке изделий, т. е. во многих технологических процессах. Неуправляемые взрывы могут происходить в технологических процессах и оборудовании при нештатных ситуациях или нарушении технологических режимов при эксплуатации различных сушил и обжиговых печей для производства строительных материалов и изделий, котлов и огнетехнических установок, топливосжигающих устройств и других, работающих на органическом топливе. 7 Взрывы также подразделяются на сосредоточенные и объемные. Сосредоточенный (точечный) взрыв – взрыв конденсированного взрывчатого вещества или конденсированной взрывоопасной системы, когда само взрывчатое вещество занимает небольшой объем по отношению к объему окружающей среды, где было воздействие взрыва. Под конденсированными веществами понимают вещества в твердом и жидком состояниях. При таком взрыве внутренняя энергия конденсированных взрывчатых веществ выделяется практически мгновенно в небольшом объеме, поэтому такие взрывы получили название точечных, а также происходит образование сильных ударных волн. Продолжительность взрыва при этом лежит обычно в пределах от 10-5 до 10-6 с, что приводит к большой мощности взрыва даже при малых запасах внутренней энергии взрывчатого вещества. Объемный взрыв – детонационный или дефлаграционный взрыв газовоздушных, пылевоздушных и пылегазовых облаков достаточно больших объемов. Объемные химические взрывы подразделяются на два основных вида: взрывы парогазовоздушных смесей и взрывы пылевоздушных смесей. Газо- и парообразные горючие вещества представляют собой гомогенные смеси с газообразными окислителями – воздухом, кислородом и другими газами, либо нестабильные газообразные соединения, такие как ацетилен, этилен, склонные к термическому разложению в отсутствие окислителей. Источником энергии взрывов газовых смесей часто являются экзотермические реакции окисления горючего вещества или реакции разложения нестабильных соединений. Взрывы пыли представляют одну из основных опасностей в технологических процессах и производствах. Они происходят в ограниченных пространствах (в помещениях зданий, внутри различного оборудования, штольнях шахт, транспортирующих каналах и др.). Возможны взрывы пыли в мукомольном произ8 водстве, на зерновых элеваторах, в фармацевтической промышленности, при производстве красителей, серы, сахара, различных порошкообразных веществ, на установках дробления топлива (угольной пыли), в текстильном производстве и т. п. Двухфазные взрывоопасные аэрозоли состоят из мелкодисперсных горючих жидкостей в виде тумана или твердых веществ в виде пыли в окислительной среде, в основном в воздухе, например мучная или древесная пыль в воздухе. Источником энергии при взрывах является теплота сгорания этих веществ. При оценке взрывных явлений твердые и жидкие горючие вещества относят в большинстве случаев к классу конденсированных взрывчатых веществ (ВВ), в состав которых входят восстановители и окислители или другие химически нестабильные соединения. При инициировании взрыва в этих веществах с огромной скоростью протекают экзотермические окислительновосстановительные реакции или реакции термического разложения с выделением большого количества тепловой энергии. Особую роль при возникновении химических взрывов играет источник зажигания. Такими источниками наиболее часто служат тепловыделения при тепловых, химических и микробиологических процессах. Это могут быть открытое пламя, искры, электрическая дуга или нагретая поверхность и др. Источником энергии физических взрывов является потенциальная энергия сжатых газов (паров) или перегретых жидкостей в замкнутых объемах. Количество такой потенциальной энергии для различных энергоносителей определяется соответствующими физико-химическими закономерностями энерговысвобождения. При физических взрывах систем эта энергия при адиабатическом расширении газа, пара или жидкости высвобождается в окружающее пространство. Происходит разрушение сосуда от превышения давления и до 60 % энергии расширения парогазовых сред переходит в кинетическую энергию осколков, которые при промышленных авариях разлетаются на значитель9 ные расстояния. При этом на формирование ударной волны расходуется до 40 % общей потенциальной энергии физического взрыва сжатого газа. Производственные процессы, в которых обращаются взрывоопасные газы, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, широко используются в различных отраслях промышленности. При нормальной работе оборудования в большинстве случаев образующиеся взрывоопасные газо- или паровоздушные смеси не достигают концентрационных пределов воспламенения. Это является наиболее надежным направлением обеспечения безопасности оборудования и процессов. Однако в производственных условиях при различных неполадках оборудования, ошибочных действиях персонала и аварийных ситуациях возникают условия для образования больших масс горючих парогазовоздушных смесей, как в замкнутых объемах, так и в неорганизованных паровых облаках. При этом могут образоваться смеси с высоким уровнем неоднородности состава во всем диапазоне концентрационных пределов воспламенения, что вызывает существенные изменения скоростей горения, а также других параметров разрушающей способности взрывного горения и ударных волн. При взрывах выделяется огромное количество энергии. Известно, что первоначально вся энергия сосредоточена в источнике в форме потенциальной энергии. В момент взрыва она переходит как в тепловую и кинетическую энергию различных областей и фрагментов системы, так и в энергию излучения. Все это приводит к различным разрушениям зданий, оборудования, травмам обслуживающего персонала и даже их гибели, как показано в табл. 1.1. Для оценки взрывных явлений газопаровоздушных и пылевоздушных сред в замкнутом и открытом пространствах, а также для оценки физических взрывов различных сред и взры10 вов конденсированных взрывчатых веществ, следует использовать специальные методики, о которых будет сказано ниже. Таблица 1.1 Предельно допустимое избыточное давление P при взрывах газо-, паро- или пылевоздушных смесей в помещениях или на открытом пространстве [3, 4], кПа Степень поражения Полное разрушение зданий 50%-е разрушение зданий Среднее повреждение зданий Умеренное повреждение зданий (повреждение внутренних перегородок, рам, дверей и т. п.) Нижний порог повреждения человека волной давления Малые повреждения (разбита часть остекления) Избыточное давление P 100 53 28 12 5 3 Для оценки взрывных явлений газопаровоздушных и пылевоздушных сред в замкнутом и открытом пространствах, а также для оценки физических взрывов различных сред и взрывов конденсированных взрывчатых веществ, следует использовать специальные методики, о которых будет сказано ниже. В отдельную группу горючих дисперсных материалов, способных взрываться, выделяют частицы твердого или жидкого вещества, находящиеся в воздушной среде. Эти смеси называют аэрозолями. Они используются или являются побочными продуктами в различных технологических процессах. К ним можно отнести алюминиевую пудру, пыль различных органических веществ и многие другие, которые находятся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозоли обычно являются пожароопасными до тех пор, пока это вещество не будет распылено в воздухе, после чего они становятся взрывоопасными. Взрыво11 опасные аэродисперсные системы могут возникать спонтанно, например, при встряхивании отложений пыли на оборудовании. Скорость распространения пламени по аэрозолю может достигать больших скоростей – до 10 м/с и более. Это объясняется тем, что излучение от горящих частиц нагревает взвешенные в воздухе другие частицы даже на больших расстояниях от фронта горения. Взрывоопасность аэрозолей зависит от размеров пылевых частиц и содержания кислорода в системе. Мелкодисперсная пыль в аэрозоле характеризуется развитой поверхностью и большой химической активностью. Большая поверхность пылевых частиц обусловливает также высокую степень адсорбции кислорода на их поверхности, при этом возрастает взрывоопасность системы. Пылевоздушная система содержит обычно достаточно кислорода для сгорания частиц пыли, т. е. для организации горения не требуется подвод кислорода из окружающей атмосферы. Этот кислород адсорбируется на поверхности частиц. Все это приводит к тому, что аэрозоли взрывоопасны подобно газовоздушным смесям. При изучении взрывных явлений отдельно следует выделить ядерный взрыв – процесс быстрого освобождения ядерной энергии в ограниченном объеме, который отличается чрезвычайно высокой концентрацией выделяющейся энергии, крайне малым (доли мкс) временем ее выделения, разнообразием поражающих факторов. Большая часть внутриядерной энергии выделяется в виде кинетической энергии продуктов реакции, нейтронного и гамма-излучения. Температура и давление в зоне реакции достигают десятков миллионов градусов Цельсия и сотен миллионов атмосфер. В данном пособии ядерные взрывы не рассматриваются. Более подробно с процессами взрывов различных горючих веществ и самими взрывами можно познакомиться в учебной литературе [1, 2, 5–7]. 12 2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВОВ Взрывные процессы характеризуются достаточно большим числом различных параметров взрывчатого вещества, продуктов взрыва и самого взрыва. К основным параметрам промышленных взрывов, которые обычно используются при анализе возможных их последствий, обычно относят нижеследующие: M – масса горючего газа, паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, пыли, вышедших в помещение или окружающую среду в результате нарушения технологического режима или аварии, а также масса конденсированного взрывчатого вещества; Q HP – теплота сгорания горючего вещества; Po , To – давление и температура невозмущенной окружающей среды, где происходит взрыв; Pmax , T max – создаваемые максимальные давление и температура в эпицентре взрыва; PB – давление на фронте взрывной (ударной) волны в заданной точке; P PB Po − избыточное давление во фронте взрывной волны в заданной точке (амплитуда избыточного давления взрывной волны); PP – минимальное давление (разрежение) за фронтом взрывной волны в заданной точке; r – расстояние от эпицентра взрыва до заданной точки; i и i – положительный и отрицательный удельные импульсы взрывной волны в заданной точке, определяемые соотношениями: 13 τo i τB [ P ( τ ) Po ]d τ ; i [ Po P ( τ )]d τ ; 0 (2.1) o w – скорость распространения взрывной волны в окружающем пространстве; ρw 2 PД – динамическое давление, создаваемое взрывной 2 волной; Э – полное энерговыделение при взрыве или энергия взрыва; M T – тротиловый эквивалент взрыва конденсированного взрывчатого вещества или парогазовой среды, кг. Основными параметрами, характеризующими разрушающую способность взрывной волны, являются избыточное давление и импульс взрыва. Изменение избыточного давления в заданной точке показано на рис. 2.1. Р Положительная фаза Отрицательная фаза Рв + Ро τо τр - τв - τ РР Рис. 2.1. Зависимость параметров ударной волны при взрыве парогазовой среды 14 В момент прихода взрывной волны в заданную точку, где давление окружающей среды Po , давление повышается до максимального значения на фронте взрывной волны PB . Далее, за время τ o , давление снижается до давления среды в невозмущенном состоянии Po , а через время τ P τ o достигает в зоне разрежения минимального значения PP . Затем давление начинает расти и достигает значения Po в момент времени τ B . Область ударной волны, где давление превышает давление окружающей среды, называется положительной фазой, а продолжительность ее составляет τ o . Другая область, где давление ниже давления окружающей среды, называется отрицательной фазой, или фазой разрежения. Ее амплитуда равна разности давлений Р o Р Р , а продолжительность τ В τ о . В большинстве случаев на практике определяют параметры взрывной волны, связанные с положительной фазой. Однако при взрывах сосудов со сжатым газом параметры отрицательной фазы достигают высоких значений и поэтому необходимы для оценки разрушающей способности взрывной волны. Отрицательная фаза взрывной волны, вновь проходящая через центр, приводит к взаимному наложению волн в локальных зонах, где и будут наблюдаться повышенные значения положительной амплитуды повторной взрывной волны. В области положительной фазы используются дополнительные параметры ударной волны, наиболее важными из которых являются: ρ – плотность газа за взрывной волной; w G – массовая скорость газа за волной и др. 15 3. ХИМИЧЕСКИЕ ВЗРЫВЫ Аварии в промышленности могут происходить с выбросом горючих жидкостей, газов и паров в открытое пространство, помещения и внутрь технологического оборудования. Образование газопарового облака может привести к токсическому воздействию на работников, пожару или взрыву. Такие взрывы относят к химическим. 3.1. Определение режима взрывного превращения облака газопаровоздушной смеси в пространстве При прогнозировании последствий аварий на взрывоопасных объектах необходимо предварительно идентифицировать наиболее вероятный режим взрывного превращения (горения) газопаровоздушного облака. Для этого обычно используется методика, приведенная в [8]. Все горючие вещества в промышленности классифицируют по степени чувствительности. Парогазовые смеси горючих веществ с воздухом по своим взрывоопасным свойствам разделены на четыре класса, как показано в табл. 3.1. Характер взрыва газопаровоздушного облака и его последствия будут определяться также и классификацией пространства и территории, где этот взрыв произошел. Характер окружающего пространства в значительной степени определяет скорость взрывного превращения облака смеси и, следовательно, параметры ударной волны. Геометрические характеристики окружающего пространства разделены на виды в соответствии со степенью его загроможденности, как показано в табл. 3.2. С учетом сказанного выше, класс ожидаемого режима взрывного превращения горючего вещества, т. е. диапазона ско16 ростей взрывного горения, может быть определен с помощью экспертной табл. 3.3 [8]. Таблица 3.1 Классификация горючих веществ по степени чувствительности (выдержки) [8] Класс 1 Класс 2 Класс 3 СреднеОсобо чувстви- Чувствительные чувствительные тельные вещества вещества вещества Ацетилен Акролеин Ацетальдегид Водород Бутан Ацетон Изопропилнитрат Бутилен Бензин Метилацетилен Пропан Гексан Нитрометан Сероуглерод Изооктан Окись этилена Этан Метилацетат Этилнитрат Этилен Октан Пропилен Сероводород Метиловый спирт Этиловый спирт Класс 4 Слабочувствительные вещества Аммиак Бензол Дизтопливо Додекан Керосин Метан Метилбензол Нафталин Окись углерода Фенол Дихлорэтан Таблица 3.2 Характеристика видов пространства, окружающего место взрыва Вид Вид 1 Вид 2 Вид 3 Вид 4 Характеристика загроможденности окружающего пространства Наличие длинных труб, полостей, заполненных горючей смесью, при сгорании которой возможно ожидать формирование турбулентных струй продуктов сгорания и т. д. Сильно загроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов, высокая плотность размещения технологического оборудования, лес, большое количество повторяющихся препятствий Средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк Слабо загроможденное и свободное пространство Таблица 3.3 17 Экспертная таблица для определения режима взрывного превращения Класс горючего вещества 1 2 3 4 Вид окружающего пространства 1 2 3 4 Класс ожидаемого режима взрывного превращения 1 1 2 3 1 2 3 4 2 3 4 5 3 4 5 6 По классу ожидаемого режима взрывного превращения газопаровоздушной смеси можно определить диапазон скоростей распространения фронта пламени: – диапазон 1: детонационное горение со скоростью фронта пламени 500 м/с и больше; – диапазон 2: дефлаграционное горение со скоростью фронта пламени от 300 до 500 м/с; – диапазон 3: дефлаграционное горение со скоростью фронта пламени от 200 до 300 м/с; – диапазон 4: дефлаграционное горение со скоростью фронта пламени 150–200 м/с; – диапазон 5: дефлаграционное горение со скоростью фронта пламени wГ , определяемой соотношением [8]: wГ k1 М Г1/6 , (3.1) где М Г – масса горючего вещества в газопаровоздушной смеси, кг; k 1 – константа, равная 43; – диапазон 6: дефлаграционное горение со скоростью фронта пламени, определяемой соотношением [8]: 18 wГ k 2 М Г1/6 , (3.2) где k 2 – константа, равная 26. Задание 1 для самостоятельной работы Определить режим взрывного превращения и скорость распространения фронта пламени при пожаре горючего вещества. Масса горючего вещества составляет M Г , кг. Исходные данные для решения задачи взять в соответствии со своим вариантом из табл. 3.4. По окончании расчетов сделайте выводы. Таблица 3.4 Исходные данные для решения задания 1 № варианта Горючее вещество 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ацетилен Бутан Ацетон Аммиак Водород Бутилен Бензин Бензол Изопропилнитрат Пропан Гексан Дизтопливо Характеристика пространства, где происходит взрыв Масса горючего вещества М Г , кг Наличие полостей с газовой смесью Загроможденное пространство Отдельно стоящее оборудование Свободное пространство Наличие полостей с газовой смесью Загроможденное пространство Отдельно стоящее оборудование Свободное пространство Наличие полостей с газовой смесью Загроможденное пространство Отдельно стоящее оборудование Свободное пространство 50 10 100 20 150 30 200 40 250 50 300 60 19 Окончание табл. 3.4 № варианта Горючее вещество 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Метилацетилен Сероуглерод Сероводород Нафталин Нитрометан Этилен Метиловый спирт Керосин Окись этилена Пропилен Этиловый спирт Дихлорэтан Этилнитрат Характеристика пространства, где происходит взрыв Наличие полостей с газовой смесью Загроможденное пространство Отдельно стоящее оборудование Свободное пространство Наличие полостей с газовой смесью Загроможденное пространство Отдельно стоящее оборудование Свободное пространство Наличие полостей с газовой смесью Загроможденное пространство Отдельно стоящее оборудование Свободное пространство Наличие полостей с газовой смесью Масса горючего вещества M Г , кг 350 70 400 80 450 90 500 25 550 35 600 45 650 3.2. Интенсивность излучения от «огненного шара» и время его существования При работе различного технологического оборудования и трубопроводов могут возникнуть аварийные ситуации, когда происходит их разгерметизация. В этих случае, если внутри оборудования или технологических трубопроводов находятся горючие (ГЖ) и легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ), происходит их выброс в жидком и парообразном виде через образовавшиеся неплотности в атмосферу и проливы на пол помещения. Такие выбросы сопровождаются испарением пролившейся жидкости, и ее пары в смеси с воздухом могут воспламениться и привести к взрыву и пожару. 20 Для обоснования пожарной безопасности технологических процессов, в соответствии с требованиями нормативного документа [3], необходимо определять интенсивность теплового излучения от пламени и длительность излучения этого пламени. Обоснование взрывной и пожарной безопасности для зданий и сооружений рассмотрено в [17]. Нарушение технологических регламентов при обращении с горючими и легковоспламеняющимися жидкостями на производстве часто приводит к их проливу из оборудования и трубопроводов. При ее испарении пары могут воспламениться, что очень часто приводит к пожарам, т. к. от пламени идут сильные тепловые потоки излучением. Интенсивность теплового излучения при пожарах часто превышает предельно допустимые значения интенсивности теплового излучения для человека и конструкционных материалов, что может привести к тяжелым последствиям. При воспламенении парогазового облака возникает крупномасштабное диффузионное пламя сгорающей массы топлива, поднимающееся над поверхностью земли. Пламя носит шарообразную форму, поэтому получило название «огненный шар». Оценка пожарной опасности технологических процессов включает в себя: расчет интенсивности теплового излучения при пожарах от проливов ГЖ и ЛВЖ для сопоставления с критическими (предельно допустимыми) значениями интенсивности теплового потока для человека и конструкционных материалов, которые приведены в табл. 3.5; анализ возможности возникновения «огненного шара» при аварии и его поражающее воздействие; расчет радиусов зон поражения людей от теплового воздействия в зависимости от вида и массы топлива. Предельно допустимые значения приведены в табл. 3.6. 21 Таблица 3.5 Предельно допустимая интенсивность теплового излучения пожаров от проливов ГЖ и ЛВЖ [3] Интенсивность теплового излучения q , кВт/м2 Степень поражения Без негативных последствий в течение длительного времени Безопасно для человека в брезентовой одежде Непереносимая боль через 2030 с; ожог 1-й степени через 1520 с; ожог 2-й степени через 3040 с; воспламенение хлопка-волокна через 15 мин Непереносимая боль через 35 с; ожог 1-й степени через 68 с; ожог 2-й степени через 1216 с Воспламенение древесины с шероховатой поверхностью (влажность 12 %) при длительности облучения 15 мин Воспламенение древесины, окрашенной масляной краской по строганной поверхности; воспламенение фанеры 1,4 4,2 7,0 10,5 12,9 17,0 Таблица 3.6 Предельно допустимая доза теплового излучения при воздействии «огненного шара» на человека [3] Степень поражения Ожог 1-й степени Ожог 2-й степени Ожог 3-й степени Доза теплового изучения Q , Дж/м2 1,2·105 2,2·105 3,2·105 Примечание. Дозу теплового излучения рассчитывают по формуле (3.8). 22 При проливе ГЖ или ЛВЖ и их воспламенении начинается пожар. Образующееся при пожаре пламя характеризуется высокой интенсивностью теплового излучения, которое может привести к воспламенению окружающих горючих материалов, повреждению конструкций, травмированию людей. Для оценок воздействия теплового излучения на окружающие предметы (рис. 3.1) требуется знать величину самого излучения. q 2 1 Рис. 3.1. Излучение пламени факела при пожаре на окружающие объекты: 1 – излучающее пламя; 2 – объект, воспринимающий тепловое излучение Подробно методика расчета интенсивности теплового излучения q при пожарах от проливов ГЖ или ЛВЖ изложена в нормативном документе [3]. Ниже приведена выборка из этой методики, когда образуется «огненный шар». Интенсивность теплового излучения q , кВт/м2, от пламени факела на поверхности рассматриваемого объекта может быть рассчитана по формуле: q E f Fq λ , (3.3) 23 где E f – среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени факела, кВт/м2; Fq – угловой коэффициент облученности, который характеризует, какая доля излучения от пламени факела попадает на рассматриваемый объект; λ – коэффициент пропускания атмосферы. Среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени факела E f принимается на основе имеющихся в литературе экспериментальных данных. При расчетах допускается принимать: E f = 450 кВт/м2 [3]. Угловой коэффициент облученности Fq ориентировочно может быть рассчитан по формуле Fq H 0,5 DS 2 2 H r 4 0,5 D S D S 1, 5 , (3.4) где Н – высота центра «огненного шара», м; D S – эффективный диаметр «огненного шара», м; r – расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром «огненного шара», м. На практике приближенно эффективный диаметр «огненного шара» D S , м, может быть рассчитан по формуле [3]: DS 5,33 M 0,327 , (3.5) где M – масса поступившей в окружающее пространство ГЖ или ЛВЖ, кг. 24 Высоту центра «огненного шара» обычно определяют в ходе специальных исследований. При отсутствии данных таких исследований допускается принимать H 0,5 D S . Коэффициент пропускания атмосферы λ для теплового излучения можно определить по формуле D λ exp 0,0007 r 2 H 2 S . 2 (3.6) Направляя полученные по вышеприведенным формулам значения E f , Fq и λ в формулу (3.3), можно рассчитать интенсивность теплового излучения q от пламени факела на окружающие объекты. Время существования «огненного шара» τ S , с, рассчитывают по формуле [3]: τ S 0,92 M 0, 303 . (3.7) Если вблизи факела пожара находится человек, то дозу теплового излучения Q , которую он получит за время нахождения под воздействием излучения «огненного шара» τ Ч , Дж/м2, можно рассчитать по формуле Q 1000 q S . (3.8) Пример. Определить время существования «огненного шара» в очаге пожара и интенсивность теплового излучения от него на расстоянии 500 м при разрыве сферической емкости с пропаном объемом V = 600 м3. Степень заполнения резервуара жидкой фазы α = 80 %. Какую дозу теплового излучения полу25 чит человек, если он будет находиться под воздействием излучения 5 с? Решение. Плотность горючей жидкости, жидкого пропана по справочным данным составляет ρ Ж = 530 кг/м3 [3]. Расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром «огненного шара» по условию задачи принимаем равным r = 500 м. Находим массу горючей жидкости M , кг, в резервуаре по формуле: M α 80 V ρ 600 530 254000 . 100 100 Определяем эффективный диаметр «огненного шара», м, по формуле (3.5): D S 5,33 254000 0, 327 312 . Учитывая пояснения к формуле (3.4), находим высоту центра «огненного шара», м: H 0,5 312 156 . Угловой коэффициент облученности между «огненным шаром» и рассматриваемым объектом найдем по формуле (3.4): Fq 26 156 0,5 312 2 2 156 500 4 0,5 312 312 1, 5 0,0371 . По формуле (3.6) находим коэффициент пропускания атмосферы 312 λ exp 0,0007 500 2 156 2 0,773 . 2 Из-за отсутствия экспериментальных данных по величине среднеповерхностной плотности теплового излучения пламени E f , в соответствии с вышеприведенными рекомендациями, принимаем E f = 450 кВт/м2. По формуле (3.3) находим интенсивность теплового излучения от «огненного шара», кВт/м2, на поверхности рассматриваемого объекта: q 450 0,0371 0,773 12,9 . Время существования «огненного шара», с, определим по формуле (3.7): τ S 0,92 254000 0,303 33,9 . Человек, находящийся на расстоянии 500 м от центра факела пожара в течение 5 с, получит дозу теплового излучения Q , Дж/м2,которую рассчитаем по формуле (3.8): Q 1000 12,9 5 64500 . Выводы. Сравнивая полученное значение интенсивности теплового излучения от «огненного шара» на поверхности рассматриваемого объекта q 12,9 кВт/м2 с предельно допустимой интенсивностью теплового излучения (табл. 3.5), видим, что 27 при такой тепловой нагрузке человек может получить ожоги свыше 2-й степени. Сравнивая значение дозы теплового излучения Q , которую человек получит от «огненного шара» за 5 с, с предельно допустимой дозой (табл. 3.6), видно, что человек не получит ожоги от воздействия теплового излучения «огненного шара». Задание 2 для самостоятельной работы Определить интенсивность теплового излучения при пожаре пролитой горючей жидкости в виде «огненного шара». Тип горючей жидкости и ее масса M , расстояние от геометрического центра пролива до облучаемого объекта r приведены в табл. 3.7. Что будет с человеком и облучаемыми телами (для анализа использовать табл. 3.5 и 3.6) при такой интенсивности теплового излучения от пламени факела, если их время нахождения под воздействием «огненного шара» равно 10 с? Данные для решения задачи взять из табл. 3.7 в соответствии со своим вариантом. По окончании расчетов сделайте выводы по полученным результатам. Таблица 3.7 Исходные данные для задания 2 № варианта 1 2 3 4 5 6 7 28 ГЖ или ЛВЖ СПГ СУГ Бензин ДТ Нефть СПГ СУГ Масса разлитой жидкости M , кг 60 200 300 500 600 700 800 Расстояние от центра пролива до объекта r , м 15 20 25 30 35 40 50 Окончание табл. 3.7 № варианта 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ГЖ или ЛВЖ Бензин ДТ Нефть СПГ СУГ Бензин ДТ Нефть СПГ СУГ Бензин ДТ Нефть СПГ СУГ Бензин ДТ Масса разлитой жидкости M , кг 900 1000 1200 1500 1700 2000 2300 2500 3000 40 250 500 600 700 800 900 1000 Расстояние от центра пролива до объекта r,м 55 60 65 70 80 90 100 110 120 20 30 40 45 50 60 65 70 Примечание. В таблице обозначено: СПГ – сжиженный природный газ (метан); СУГ – сжиженный углеводородный газ (пропан-бутан); ДТ – дизельное топливо. 3.3. Расчет избыточного давления взрыва газопаровоздушной смеси в помещении В технологических процессах из-за неправильных действий персонала могут возникать аварийные ситуации, когда в помещении образуется газопаровоздушная взрывоопасная смесь. Это может произойти из-за разгерметизации оборудования, пролива легковоспламеняющихся жидкостей или горючих 29 веществ. В этом случае за вариант развития аварии принимается наиболее худший, который выглядит следующим образом: – происходит разгерметизация аппарата; – все содержимое аппарата и из прилегающих трубопроводов поступает в помещение; – испарение жидкости происходит в течение 1 часа; – после чего происходит воспламенение образовавшейся газопаровоздушной смеси. Свободный объем помещения VCB , где могут скопиться газы или пары, определяют как разность между геометрическим объемом помещения V П и объемом VОБОР , занимаемым технологическим оборудованием. При отсутствии данных его принимают равным 80 % от геометрического объема помещения (м3): VCB 0,8 V П . (3.9) Методика расчета избыточного давления, развиваемого при сгорании газопаровоздушных смесей в помещении, изложена в нормативном документе [3]. С учетом выше сказанного избыточное давление P , кПа, развиваемое при сгорании газопаровоздушных смесей в помещении, можно рассчитать по формуле: P ( Pmax Pо ) MГ Z 100 , VCB ρ ГП K H C CT (3.10) где Pmax – максимальное давление в месте взрыва стехиометрической газопаровоздушной смеси в замкнутом объеме, определяемое экспериментально или по справочным данным. При отсутствии данных допускается принимать Pmax = 900 кПа; Po – начальное давление, кПа. При расчетах допускается принимать его 30 равным атмосферному: Po = 101,3 кПа; M Г – масса горючего газа или паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, вышедших в помещение в результате нарушения технологического режима или аварии, кг; Z – коэффициент участия паров не нагретых горючих жидкостей во взрыве, который должен быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в объеме помещения, согласно методике, изложенной в [9]. При расчетах допускается принимать значение Z по табл. 3.8; ρ ГП – плотность газа или пара горючего вещества при расчетной температуре в помещении t P , кг/м3, вычисляемая по формуле: ρ ГП μ , Vо (1 0,003677 t P ) (3.11) где μ – мольная масса вылившегося и испарившегося горючего вещества, кг/кмоль; Vo – мольный объем газопаровоздушной смеси, равный 22,413 м3/кмоль; t P – расчетная температура в помещении, оС. За расчетную температуру следует принимать максимально возможную температуру воздуха в данном помещении в соответствующей климатической зоне или максимально возможную температуру воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации. Если такого значения расчетной температуры по какимлибо причинам определить не удается, допускается принимать t P = 61 оС; C CT – стехиометрическая концентрация горючих газов или паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, %, по объему помещения, вычисляемая по формуле: C CT 100 , 1 4,84 β (3.12) 31 где β nC nH nX nO – стехиометрический коэффициент 4 2 кислорода в реакции сгорания газопаровоздушной смеси; nC , nH , nX , nO число атомов углерода, водорода, галоидов и кислорода в молекуле горючего вещества; K H – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения газопаровоздушной смеси. При расчетах при отсутствии данных допускается принимать K H = 3. Найденное по формуле (3.10) значение избыточного давления взрыва P для газопаровоздушных смесей сравнивают с предельно допустимым давлением для зданий, конструкций и человека, приведенным в табл. 1.1. Таблица 3.8 Значение коэффициента участия горючего вещества во взрыве Вид горючего вещества Водород Горючие газы (кроме водорода) Горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, нагретые до температуры вспышки и выше Горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при наличии возможности образования аэрозоля Горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при отсутствии возможности образования аэрозоля Z 1,0 0,5 0,3 0,3 0 Изложенная методика справедлива только для взрывов газопаровоздушных смесей внутри помещений. При взрыве в открытом пространстве, или взрыве пылевоздушного облака, должны применяться другие методики расчета, которые приведены ниже. 32 Задание 3 для самостоятельной работы Рассчитать избыточное давление, развиваемое при взрыве газовоздушной среды в помещении цеха размерами a b h . В результате аварии в цех попало M Г , кг, горючего вещества в газообразном виде. Полученный результат сравнить с предельно допустимым избыточным давлением при сгорании газовоздушной смеси (табл. 1.1). Определите концентрацию газа в воздухе помещения. Сделайте выводы по полученным результатам расчета. Решение задачи выполнить для своего варианта в соответствии табл. 3.9. Таблица 3.9 Исходные данные для решения задания 3 № Горючий газ вариили пар анта 1 Метан 2 Этан CH 4 C2H 6 Масса газа M Г , кг 7,5 6,5 Соединение Размеры помещения, м длина ширина высота a b h 6 8 5 4 2,5 3 3 Пропан C3H8 10 10 5 2,5 4 Бутан C 4 H 10 17 12 5 3 5 6 7 8 Пентан Ацетилен Оксид углерода Метилциклопентан C 5 H 12 CO C 6 H 12 35 18 80 30 14 16 18 20 6 5 6 6 4 3,5 3 4 9 2-Метилпентан C 6 H 14 50 22 6 3,5 10 11 12 Этилен н-Гептан Пропилен C 2H 4 C 7 H 16 34 9 12 24 6 8 8 5 4 4 2,5 3 C 2H 2 C3H6 33 Окончание табл. 3.9 № Горючий газ вариили пар анта 13 1-Бутен 14 15 16 н-Октан Циклопентан н-Декан 17 18 Изопентан Ацетон 19 20 21 22 23 Этилциклогексан Циклогексан Изобутан Гексан н-Пентан 24 Водород 25 Бензол Масса газа Соединение M Г , кг 8 C4H8 44 C 8 H18 36 C 5 H 10 42 C10 H 22 Размеры помещения, м длина ширина высота a b h 10 5 2,5 12 14 16 5 6 5 3 4 3,5 28 26 18 20 6 6 3 4 C 5 H 12 20 48 6 9 14 22 24 6 8 10 6 8 5 4 5 3,5 4 2,5 3 2,5 H2 30 12 5 3 C6H6 70 14 6 4 C 5 H12 C3 H 6O C 8 H 16 C 6 H 12 C 4 H 10 C 6 H 14 3.4. Расчет избыточного давления взрыва горючей пыли в помещении При обработке изделий из древесины, производстве пищевых продуктов (сазара, крахмала, муки и др.), изготовлении лекарств и т. п. в технологических процессах может образоваться пылевоздушная смесь, которая является взрывоопасной. Взрывоопасная смесь горючей пыли с воздухом в опасных концентрациях при нарушении технологического режима может привести к взрыву. 34 Расчет избыточного давления взрыва P , кПа, для горючей пыли проводится по формуле [3]: ΔP M П QH Po Z 1 , VCB ρ B C P (t o 273) K H (3.13) где Po , VCB , K H имеют те же значения, что и в формуле (3.10); M П – расчетная масса взвешенной пыли, находящейся в воздухе помещения в результате нарушения технологического процесса или аварийной ситуации, кг; Q H – низшая теплота сгорания горючего вещества, кДж/кг; ρ B – плотность воздуха в помещении, кг/м3, при начальной его температуре t o до взрыва: ρ B 1, 293 273 . t o 273 (3.14) Здесь C P – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кгК). При расчетах принимают C P = 1,017 кДж/(кгК); Z – коэффициент участия взвешенной пыли во взрыве, который рассчитывается по формуле: Z 0,5 F , (3.15) где F – массовая доля частиц пыли размером менее критического, с превышением которого аэровзвесь становится взрывобезопасной, т. е. неспособной распространять пламя. Значение параметра F может быть найдено по специальной методике, изложенной в [3]. В отсутствие возможности получения сведений по массовой доле частиц с размерами менее критического, допускается принимать Z = 0,5. 35 Задание 4 для самостоятельной работы Рассчитать избыточное давление, развиваемое при взрыве пылевоздушной среды в помещении цеха размерами a b h . В результате нарушения технологического режима в цех попало с воздухом M П , кг, горючей пыли. Температура воздуха в помещении 20 оС. Полученный результат сравните с предельно допустимым избыточным давлением при сгорании пылевоздушной смеси (табл. 1.1). После решения сделайте выводы по полученным результатам. Решение задачи выполнить для своего варианта с исходными данными, взятыми из табл. 3.10. Таблица 3.10 Исходные данные для решения задания 4 Низшая теп- Масса Размеры помещения, м № Горючее вещество лота сгорания пыли варидлина ширина высота (взвешенная пыль) a анта QH , кДж/кг M П , кг b h 1 Древесная пыль 15320 7 6 5 2,5 сосновая 2 Сахарная пыль 16500 6 8 4 3 3 Алюминиевый порошок 31100 5 10 5 2,5 4 Яичный порошок 18800 34 12 5 3 5 Древесная пыль 19900 26 14 6 4 дубовая 6 Пыль бурого угля 12500 32 16 5 3,5 7 Пыль оргстекла 25100 18 18 6 3 8 Волокно ацетатное 18770 16 20 6 4 9 Пыль серы 9210 12 22 6 3,5 36 Окончание табл. 3.10 № варианта 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Низшая теп- Масса Размеры помещения, м лота сгорания пыли длина ширина высота QH , кДж/кг M П , кг a b h Мучная пыль 16800 38 24 8 4 Хлопковая пыль 17500 2,5 6 5 2,5 Шерстяные волокна 23140 4,5 8 4 3 Пыль каменного угля 31250 8 10 5 2,5 Порошок крахмала 16800 14 12 5 3 Древесный уголь 30200 30 14 6 4 Пенопласт ФС-7 24430 10 16 5 3,5 Древесная пыль 20320 60 18 6 3 еловая Волокно вискозное 15600 20 20 6 4 Зерновая пыль 16800 40 22 6 3,5 Пенопласт ФФ 31400 28 24 8 4 Волокно капроновое 30720 10 5 8 2,5 Пыль натуральной 19900 16 6 6 3 кожи Пыль ДСП 18000 6 8 4 3 Антрацитовая пыль 34800 24 10 6 2,5 Пыль сухого торфа 16330 18 12 8 4 Горючее вещество (взвешенная пыль) 3.5. Расчет параметров волны давления при взрыве газопаровоздушной смеси в открытом пространстве Взрывы газопаровоздушных смесей горючих газов и жидкостей с воздухом могут происходить как в помещениях, так и в открытом пространстве. Правильное обоснование последствий при возможности взрывов газопаровоздушных смесей позволит избежать ненужных разрушений и жертв. К параметрам, по которым оценивают степень разрушений объектов при взрывах на открытом пространстве, относят избыточное давление 37 в положительной фазе волны давления P и безразмерный импульс положительной фазы волны давления i . Для расчета указанных выше параметров рассматривается наиболее опасный сценарий развития аварии. На базе этого сценария определяют массу горючих газов или паров, вышедших из резервуара и образовавших взрывоопасное облако, как это описано в [3]. Избыточное давление в положительной фазе волны давления P , кПа, развиваемое при сгорании облака газопаровоздушной смеси на открытом пространстве, можно рассчитать по формуле [3,4]: 0,33 0,66 M ПР M ПР M P Po 0,8 3 2 5 ПР r r r3 , (3.16) где Po – атмосферное давление, кПа. При расчетах допускается принимать Po = 101,3 кПа; r – расстояние от геометрического центра газопаровоздушного облака до рассматриваемого объекта, м; M ПР – приведенная масса горючих газов, кг, или паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, рассчитанная по формуле: M ПР M ГП Z QH . Qo (3.17) Здесь M ГП – масса горючих газов и/или паров, поступивших в результате аварии в окружающее пространство, кг; Z – коэффициент участия, который допускается принимать при расчетах равным 0,1; QH – удельная теплота сгорания горючего газа или пара (табл. 3.11), кДж/кг; Qo – константа, равная 4,52·103 кДж/кг (удельная энергия взрыва тринитротолуола). 38 Эффективная энергия взрыва, кДж, составит [4]: Э M ГП Z QH . (3.18) Импульс положительной фазы волны давления i , Па·с, можно рассчитать по формуле i 123 0,66 M ПР . r (3.19) Пример. Рассчитать избыточное давление и импульс волны давления при выходе в атмосферу этилбензола, хранящегося в сферической емкости объемом 600 м3, на расстоянии 300 м от нее. Степень заполнения емкости 80 % (по объему). Температура окружающей среды 20 °С. Решение. Примем, что в течение времени, необходимого для выхода сжиженного газа из емкости, весь этилбензол испарился и, смешавшись с воздухом, создал взрывоопасное облако. Для условий взрыва данного облака определим параметры взрывной волны. Из табл. 3.11 выпишем параметры для этилбензола: Q H 41320 кДж/кг; Ж 867 кг/м3. Определим массу газа, кг, в емкости с учетом ее частичного заполнения: M ГП 0,8 600 867 416160 . Найдем приведенную массу паров этилбензола, кг, по формуле (3.17): M ПР 416160 0,1 41320 380400 . 4520 39 Избыточное давление P , кПа, развиваемое при сгорании облака пропановоздушной смеси на открытом пространстве, рассчитаем по формуле (3.16): 380400 0 ,33 380400 0, 66 380400 42,2 . P 101,3 0,8 3 5 2 300 300 300 3 Находим импульс положительной фазы волны давления, Па·с, по формуле (3.19): i 123 380400 0, 66 1976 . 300 Выводы. Сравнивая полученное значение избыточного давления P 42,2 кПа с данными табл. 1.1, видно, что взрыв паров этилбензола приведет к среднему повреждению зданий, находящихся в зоне поражения взрыва. Таблица 3.11 Теплота сгорания и плотность углеводородов (ЛВЖ) при 20 оС [11, 12, 18] Углеводород Теплота сгорания пара горючей жидкости QН , кДж/кг Амилацетат Амилен н-Амиловый спирт Ацетальдегид Ацетон Бензол 1,3-Бутадиен 40 29879 45017 38385 27071 31360 40576 44530 Плотность в жидком состоянии Ж , кг/м3 876 651 814 783 790 879 621 Окончание табл. 3.11 Углеводород Теплота сгорания пара горючей жидкости QН , кДж/кг 1-Бутен н-Бутилацетат н-Бутиловый спирт н-Гексан н-Гексиловый спирт н-Гептан Дивиниловый эфир 1,2-Дихлорэтан Диэтиламин Диэтилэфир Изобутиловый спирт Изопентан Изопропилбензол о-Ксилол н-Октан н-Пентан Толуол Циклогексан Этилбензол 45290 28280 36805 45105 39587 44919 32610 10873 34876 34147 36743 45240 46663 41217 44782 45350 40940 43830 41320 Плотность в жидком состоянии Ж , кг/м3 595 881 810 659 819 684 769 1252 706 715 801 626 862 865 703 626 867 779 867 Задание 5 для самостоятельной работы При перевозке цистерны объемом V со сжиженным углеводородом в результате аварии произошла ее разгерметизация и выход паров в атмосферный воздух. Степень заполнения емкости составляет α . Построить график падения избыточного давления и импульса волны давления от расстояния до центра взрыва. Рассчитать избыточное давление на расстоянии r от центра пролива. Температуру окружающей среды принять равной 20 оС. 41 Решение задачи выполнить для своего варианта. Исходные данные для решения задачи взять в соответствии со своим вариантом из табл. 3.12. Сделать выводы по задаче с точки зрения разрушений объектов от взрывной волны и воздействия ее на человека (табл. 1.1). Таблица 3.12 Исходные данные для решения задания 5 Объем № вари- цистерны анта V , м3 1 10 2 20 3 30 4 40 5 50 6 60 7 80 8 90 9 100 10 110 11 120 12 105 13 95 14 85 15 75 16 65 17 55 18 45 19 35 20 25 21 15 22 115 23 130 24 135 25 140 42 Углеводород н-Октан н-Пентан Толуол Циклогексан Этилбензол Амилацетат Амилен н-Амиловый спирт Ацетальдегид Ацетон Диэтилэфир Изобутиловый спирт Изопентан Изопропилбензол о-Ксилол н-Гексан н-Гексиловый спирт н-Гептан Дивиниловый эфир 1,2-Дихлорэтан Бензол 1,3-Бутадиен 1-Бутен н-Бутилацетат н-Бутиловый спирт Степень запол- Расстояние от нения цистерны центра пролиα ва r , м 0,9 20 0,8 25 0,7 30 0,6 35 0,5 30 0,9 40 0,8 45 0,7 40 0,6 50 0,5 45 0,9 55 0,8 40 0,7 35 0,6 40 0,5 35 0,9 40 0,8 30 0,7 25 0,6 30 0,5 20 0,9 20 0,8 45 0,7 60 0,6 55 0,5 70 4. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗРЫВЫ 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. п. В производственных технологиях 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, и имеет наряду с этим большой запас потенциальной энергии. Разгерметизация аппарата ведет к высвобождению его потенциальной энергии и взрыву. Вследствие этого возникают сильные ударные волны, образуется большое число осколков, что приводит к серьезным разрушениям и травмам обслуживающего персонала. В основном большая часть энергии взрыва переходит в энергию ударной волны и кинетическую энергию осколков. Так, например, 9 июля 1988 г. на одном из предприятий России 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 предшествовало нарушение технологического режима, из-за чего давление в газгольдере достигло 2,3 МПа, и произошел его разрыв. Возникла ударная волна, которая полностью выбила стекла на расстоянии до 1,5 км от эпицентра взрыва, а на расстоянии до 2,5 км – частично. Ниже приведены методики [3, 8, 13] расчета параметров взрывов резервуаров с горючей жидкостью, находящихся в очаге пожара, а также взрывов сосудов под давлением с перегретой водой и химически инертными газами. 43 4.1. Расчет параметров волны давления при взрыве резервуара с перегретой жидкостью или сжиженным газом при воздействии на него очага пожара При пожарах возможны взрывы различных баллонов со сжиженным газом или перегретой жидкостью. Замкнутый резервуар может оказаться в очаге пожара, происходит нагрев его содержимого до температуры, существенно превышающей нормальную температуру кипения, с соответствующим повышением давления. За счет нагрева несмоченных стенок сосуда уменьшается предел прочности их материала, в результате чего при определенных условиях оказывается возможным разрыв резервуара с возникновением волн давления и образованием «огненного шара». Такая авария произошла в городе Томске 30 ноября 2012 г., когда в одной из квартир жилого дома работники строительной организации по изготовлению натяжного потолка разогревали тепловой пушкой баллон со сжиженным газом. Произошел взрыв, вызвавший человеческие жертвы. Разрыв резервуара в очаге пожара с образованием волн давления получил в мировой практике название BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion – взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости). Возможность возникновения взрыва BLEVE для конкретного вещества, хранящегося в замкнутой емкости, зависит от многих параметров. Методика такого расчета приведена в [3]. На первом этапе расчета определяется возможность возникновения при пожаре взрыва BLEVE, для чего определяется параметр δ по формуле: δ 44 CP (TH TКИП ) , Q ИСП (4.1) где С Р – удельная теплоемкость жидкости в емкости, кДж/(кг·К); TH – температура жидкости, соответствующая температуре насыщенного пара при давлении срабатывания установленного предохранительного клапана, К; TКИП – температура кипения жидкости при атмосферном (нормальном) давлении, К; Q ИСП – удельная теплота испарения жидкости при температуре кипения TКИП , кДж/кг. Значения теплоты испарения, температуры кипения и удельной теплоемкости среды в жидкой фазе при нормальном давлении приводятся в справочниках, или они могут быть взяты для некоторых веществ по табл. 4.1. Если в результате расчета получаем, что δ < 0,35, взрыва BLEVE не происходит. В противном случае, при δ ≥ 0,35, вероятность возникновения данного явления велика. При разрушении стенок сосуда с перегретой жидкостью резко падает давление от давления в сосуде P (или давления срабатывания предохранительного клапана) до атмосферного давления Po . В результате происходит адиабатное (изоэнтропическое) расширение среды. Перегретая жидкость начинает резко испаряться с переходом в пар с образованием его большого количества, что вызывает волну давления. Параметрами волны давления, образующейся при взрыве BLEVE, являются избыточное давление P в положительной фазе волны давления и безразмерный импульс i положительной фазы волны. Избыточное давление может быть найдено по формуле M 0,33 M 0,66 M P Po 0,8 ПР 3 ПР 5 ПР 2 r r r3 . (4.2) 45 46 Таблица 4.1 Теплофизические свойства веществ при давлении 101,3 кПа [17] Соединение Ацетальдегид Формула Ацетон C2H 4O C3H 6O Бензол Теплота Константы уравнения ТемпеУдельная Антуана ратура испарения теплоемкость кипения Q ИCП , жидкой фазы С Р , CA A B TКИП , К кДж/кг кДж/(кг·К) 293,3 584 2,180 7,18246 1287,625 161,330 329,3 525 2,491 7,25058 1281,721 237,088 C6H 6 353,3 394 1,674 6,98426 1252,776 225,178 Гексан C 6 H 14 341,9 332 2,262 6,87024 1166,274 223,661 Гептан C 7 H 16 371,6 316 2,180 6,95154 1295,405 219,819 C 4 H 10 O 307,7 384 2,320 6,99790 1098,945 232,372 Изобутан C 4 H 10 261,5 366 2,240 5,95318 916,054 243,783 Изопентан C 5 H 12 300,9 342 1,647 6,79306 1022,551 233,493 Изопропилбензол C 9 H 12 370,3 316 1,717 6,93773 1460,668 207,652 Метиловый спирт CH 4 O C 5 H 12 337,7 1100 2,547 8,22777 1660,454 245,818 n-Пентан 282,7 315 1,670 6,84715 1062,555 231,805 н-Бутан C 4 H 10 272,6 385 2,240 6,00525 968,098 242,555 Диэтилэфир 46 Окончание табл. 4.1 Соединение н-Пентан н-Пропиловый спирт Пропилен Толуол Формула C 5 H 12 Теплота ТемпеУдельная ратура испарения теплоемкость кипения Q ИCП , жидкой фазы С Р , TКИП , К кДж/кг кДж/(кг·К) 309,3 357 2,670 Константы уравнения Антуана A B CA 5,97208 1062,555 231,805 C3H 8O 370,3 750 0,766 8,31708 1751,981 225,125 C3H 6 225,5 438 2,430 5,94852 786,532 247,243 C7H8 383,6 412 1,138 6,0507 1328,171 217,713 Уксусная кислота Хлорбензол C2H 4O 391 406 2,010 7,79545 1789,908 245,908 C 6 H 5 Cl 404,8 313 1,221 7,26112 1607,316 235,351 Циклогексан C 6 H 12 353 358 1,859 6,64788 1095,531 210,064 C2H 6O 351,5 840 2,428 8,68665 1918,508 252,125 Этиловый спирт 47 47 Импульс волны давления находится через приведенную массу по формуле i 123 0,66 M ПР . r (4.3) Параметры Po и r в формулах (4.2) и (4.3) такие же, как и в формулах (3.16) и (3.17). Приведенную массу жидкой фазы вещества M ПР , кг, в формулах (4.2) и (4.3), которая участвует во взрыве, определяют по формуле M ПР QА , Qо (4.4) где Q A – тепловая энергия, выделяющаяся при адиабатном расширении жидкости, находящейся в резервуаре, кДж; Qo – константа, равная 4,52·103 кДж/кг. Значение выделяющейся при взрыве энергии, кДж, можно рассчитать по формуле QA C ЭФ M Ж (T TКИП ) , (4.5) где M Ж – масса жидкости в резервуаре, кг; C ЭФ – константа, равная 0,5 кДж/(кг·К); T – температура вещества в резервуаре в момент его взрыва, К; TКИП – температура кипения жидкости при атмосферном давлении, К. При наличии в резервуаре установленного предохранительного клапана температуру вещества TH , К, допускается рассчитывать по формуле: 48 TH B C A 273,15 , A lg PK (4.6) где A, B, C A – константы уравнения Антуана для данного вещества, которые приведены в табл. 4.1; PK – давление срабатывания предохранительного клапана, кПа. Константа A должна соответствовать давлению, выраженному в кПа. Пример. При пожаре в цехе в зоне очага горения оказался баллон, в котором находилось 24 кг бензола. В результате нагрева оболочка баллона не выдержала и разрушилась. Бензол испарился, и его пары взорвались. Температура паров бензола в момент взрыва составила 500 К. Определить, относится ли данный взрыв к взрыву BLEVE? Какое избыточное давление в положительной фазе волны давления создалось на расстоянии 10 м от баллона? Решение. Определим, относится ли данный взрыв к взрыву BLEVE, для чего найдем параметр δ по формуле (4.1): δ CP 1,674 (TH TКИП ) (500 353,3) 0,623 , Q ИСП 394 где С Р = 1,674 кДж/(кг·К), TКИП = 353,3 К и Q ИCП = 394 кДж/кг взяты по табл. 4.1 для бензола при атмосферном давлении. Так как параметр δ = 0,623 > 0,35, то произойдет взрыв BLEVE. Определим значение энергии, кДж, выделяющейся при взрыве, по формуле (4.5): Q A 0,5 24 (500 353,3) 1766 , 49 где принято в соответствии с исходными данными и рекомендациями, приведенными выше: M Ж = 24 кг; C ЭФ = 0,5 кДж/(кг·К); T = 500 К. Приведенную массу участвующего во взрыве бензола, кг, определим по формуле (4.4): M ПР Q А 1766 0,391 . Q о 4520 Найдем по формуле (4.2) избыточное давление в положительной фазе волны давления, кПа, которое создалось на расстоянии 10 м от баллона в момент его взрыва: 0,3910 ,33 0,3910 ,66 0,391 7,78 . P 101,3 0,8 3 5 2 10 10 10 3 Задание 6 для самостоятельной работы Рассчитать избыточное давление и импульс положительной фазы волны давления при пожаре и нагреве цистерны со сжатым углеводородным соединением, если сработает предохранительный клапан. Связан ли этот взрыв с развитием взрыва BLEVЕ? В цистерне находится углеводородное соединение в жидкой фазе массой M Ж при температуре 293 К. Давление срабатывания клапана PK равно 2,0 МПа. К каким разрушениям, в соответствии с табл. 1.1, приведет данный взрыв, если расстояние от эпицентра взрыва до объекта составляет r . Решение задачи выполнить для своего варианта в соответствии с табл. 4.2. Сделать выводы по задаче. 50 Таблица 4.2 Исходные данные для решения задания 6 № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Масса жидкости в Горючая цистерне жидкость M Ж , кг Ацетальдегид 1000 Ацетон 1500 Бензол 2000 Гексан 2500 Гептан 3000 Диэтилэфир 3500 Изобутан 4000 Изопентан 4500 Изопропилбензол 5000 Метиловый спирт 5500 n-Пентан 6000 н-Бутан 6500 н-Пентан 7000 н-Пропиловый спирт 7500 Пропилен 8000 Толуол 8500 Уксусная кислота 9000 Хлорбензол 9500 Циклогексан 10000 Этиловый спирт 10500 Бензол 11000 Изопентан 11500 Ацетон 12000 Пропилен 12500 Циклогексан 13000 Давление срабаРасстоя- тывания клапана ние r , м PK , МПа 20 25 30 35 40 45 50 40 45 55 60 55 40 45 50 40 45 55 40 45 40 45 50 55 60 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 5 4,5 4 3,5 51 4.2. Расчет параметров волны давления при взрыве резервуара с перегретой водой Аналогичные взрывы BLEVE могут происходить при разрыве резервуара с перегретой водой, например в паровых котлах. В барабане парового котла находится кипящая вода при высоком давлении. При разрыве стенки барабана котла давление в нем резко падает до атмосферного. Перегретая вода, имеющая большой запас энергии, мгновенно вскипает. Происходит адиабатное (изоэнтропическое) расширение воды. Образуется большое количество пара, который разрывает барабан котла, и происходит физический взрыв. Последствия таких взрывов очень тяжелые, т. к. кроме больших разрушений персонал подвергается термическому воздействию горячей воды и пара, что приводит в конечном итоге к тяжелым травмам и смерти. Методика расчета такого взрыва BLEVE аналогична выше приведенной в п. 4.1. На первом этапе расчета определяется возможность возникновения взрыва BLEVE через параметр δ в соответствии с формулой: δ h B h BH , rИСП (4.7) где hB – удельная энтальпия воды в барабане котла при заданном давлении Р Б , кДж/(кг); hBH – удельная энтальпия кипящей воды при атмосферном давлении, кДж/кг. При расчетах ее можно принимать равной hBH = 419,1 кДж/кг; rИСП – удельная теплота испарения воды при атмосферном давлении, кДж/кг. Если испарение воды происходит при атмосферном давлении, то при расчетах ее можно принимать равной rИСП = 2257 кДж/кг. 52 Значения удельной энтальпии воды в зависимости от давления в барабане котла приведены в табл. 4.3. Если в результате расчета получаем, что δ < 0,35, взрыва BLEVE не происходит. В противном случае, при δ ≥ 0,35, вероятность возникновения данного явления велика. Расчет избыточного давления P в положительной фазе волны давления может быть сделан по формуле (4.2), а безразмерного импульса i – по формуле (4.3). При разгерметизации барабана котла часть кипящей воды мгновенно испаряется, образуется большой объем пара, что и приводит к взрыву. В формулах (4.2) и (4.3) приведенную массу кипящей воды, кг, можно определить по формуле: M ПР M B hB hBH , Qо (4.8) где разность энтальпий hB hBH в числителе показывает значение удельной тепловой энергии, выделяющейся при адиабатном расширении 1 кг кипящей воды, находящейся в барабане котла, кДж/кг; M B – масса воды в барабане котла до взрыва, кг; Qo – константа, равная 4,52·103 кДж/кг. Масса воды до взрыва, кг, может быть определена, если известен объем воды в барабане котла, по формуле: MВ VB , ' (4.9) где V В – объем воды в барабане котла, м3; ' – удельный объем кипящей воды при атмосферном давлении в барабане, м3/кг. При расчетах ее можно принимать равной ' 0,001044 м3/кг. 53 Таблица 4.3 Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения Абсолютное давление Р Б , МПа 4,4 4,6 4,8 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 4,4 4,6 4,8 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 Энтальпия воды hB , кДж/кг Теплота испарения rИСП , кДж/кг 1110 1123 1136 1149 1177 1207 1234 1260 1285 1310 1333 1356 1378 1399 1110 1123 1136 1149 1177 1207 1234 1260 1285 1310 1333 1689 1675 1661 1646 1612 1579 1546 1514 1482 1451 1420 1390 1360 1329 1689 1675 1661 1646 1612 1579 1546 1514 1482 1451 1420 Масса образовавшегося при взрыве пара M П , кг, может быть определена по формуле MП 54 M B (hB hBH ) . rИСП (4.10) Объем образовавшегося пара, м3, составит: VП M П " , (4.11) где " – удельный объем пара в состоянии насыщения при атмосферном давлении, м3/кг. Его можно принимать равным " = 1,675 м3/кг. При расчете свойства воды и пара должны приниматься по справочникам [12] или табл. 4.3. При использовании других жидкостей в технологических процессах следует использовать соответствующие данные по их свойствам, которые приводятся в справочной литературе. Задание 7 для самостоятельной работы При работе парового котла из-за нарушения технологического режима произошло повышение давления в барабане котла и образовалась трещина. Произошел резкий сброс давления до атмосферного. Это вызвало мгновенное вскипание и испарение воды, что привело к взрыву. Рассчитать избыточное давление и импульс положительной фазы волны давления при взрыве барабана парового котла, имеющего объем V , заполненный наполовину кипящей водой под давлением PБ . Относится ли этот взрыв к взрыву BLEVE? Сколько образовалось при взрыве пара по массе и объему? Какое создалось избыточное давление P в положительной фазе взрывной волны и чему равен безразмерный импульс i положительной фазы волны? К каким разрушениям, в соответствии с табл. 1.1, приведет данный взрыв, если расстояние от центра взрыва до объекта составляет r ? Решение задачи выполнить для своего варианта в соответствии с табл. 4.4. Сделать выводы по задаче. 55 Таблица 4.4 Исходные данные для решения задания 7 56 № варианта Давление кипящей воды в барабане котла PБ , МПа Объем барабана котла V , м3 Расстояние r,м 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 4,8 10,0 7,0 6,5 5,5 9,0 4,4 8,5 9,5 7,5 4,4 8,0 6,0 5,5 4,6 6,5 5,0 4,8 7,0 4,6 8,0 6,0 5,0 7,5 8,5 4 10 6 12 8 16 20 14 18 22 30 24 26 5 9 11 7 15 19 13 21 27 23 25 30 20 25 18 21 15 17 22 26 30 24 16 32 34 24 22 18 15 20 18 14 27 19 27 30 32 4.3. Расчет параметров взрыва резервуара с химически инертным газом Достаточно часто на производстве происходят аварии, сопровождающиеся физическими взрывами, т. е. когда сосуд или трубопровод, содержащие газ или пар под высоким давлением, разрушаются, что приводит к высвобождению значительной потенциальной энергии. Работу, Дж, которую совершает сжатый газ при физическом взрыве и которая соответствует энергии взрыва, ориентировочно можно определить по формуле Э P1 Po V, k 1 (4.12) где V – объем сосуда со сжатым газом, м3; P1 – давление сжатого газа в сосуде до взрыва, Па; Po – атмосферное давление окружающей среды, до которого происходит расширение сжатого газа, Па. При расчетах можно принять, что Po = 1,013105 Па; k – показатель адиабатного расширения сжатого газа. При оценочных расчетах можно принять: k = 1,67 – для одноатомных газов; k = 1,4 – для двухатомных газов; k = 1,33 – для трехи многоатомных газов. Масса газа в сосуде M , кг, может быть определена из уравнения состояния: M μ P1 V , R T (4.13) где μ – молекулярная масса газа, кг/кмоль; R – универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж/(кмоль К); T – температура сжатого газа в сосуде до взрыва, К. 57 Приведенная масса расширяющегося газа в тротиловом эквиваленте, кг, может быть определена по формуле M ПР Э , QT (4.14) где QT – удельная энергия взрыва тринитротолуола (тротила), кДж/кг. При расчетах она может быть принята равной 4,52·106 Дж/кг. Зная приведенную массу в тротиловом эквиваленте M ПР , по формуле (3.16) можно определить избыточное давление во фронте создаваемой ударной волны P , а по формуле (3.19) – импульс положительной фазы волны давления i . Пример. В сферическом резервуаре радиусом 1 м давление азота в момент взрыва составило 3,2 МПа при температуре 300 К. Определить энергию взрыва и избыточное давление на расстоянии 100 м от эпицентра взрыва. Решение. Рассчитаем массу сжатого газа в резервуаре, кг, по формуле (4.13): M 28,013 3,2 10 6 1 35,9 , 8314 300 где μ = 28,013 кг/кмоль – молекулярная масса азота. Объем сферического резервуара, м3, составляет: V 4 4 π R 3 3,14 13 4,187 . 3 3 Принимая для азота, как для двухатомного газа, k = 1,4, по формуле (4.12) можно определить энергию взрыва (Дж): 58 3,2 10 6 1,013 10 5 Э 4,187 3,24 10 7 . 1,4 1 Приведенную массу расширяющегося газа в тротиловом эквиваленте, кг, определяем по формуле (4.14): M ПР 3,24 10 7 7,17 . 4,52 10 6 Избыточное давление, Па, на расстоянии r = 100 м от эпицентра взрыва, в соответствии с формулой (3.16), составит: 7,17 0 ,33 7,17 0 , 66 7,17 1668 . P 1,013 10 5 0,8 3 5 2 100 100 100 3 Задание 8 для самостоятельной работы На промышленной площадке находится металлическая цистерна цилиндрической формы, в которой находится газ под давлением. Вследствие неправильных действий обслуживающего персонала произошла разгерметизация сосуда. Произошел физический взрыв. Рассчитать избыточное давление P и импульс положительной фазы волны давления i при разрыве цилиндрического сосуда, если в нем находился химически инертный газ с давлением P1 и температурой T . Диаметр сосуда d , длина l . Расстояние от эпицентра взрыва r . Чему будет равна энергия взрыва? Решение задачи выполнить для своего варианта в соответствии с табл. 4.5. Сделать выводы по задаче. 59 Таблица 4.5 Исходные данные для решения задания 8 № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 60 Газ Азот Кислород Диоксид углерода Гелий Воздух Аргон Неон Хлор Криптон Ксенон Азот Кислород Диоксид углерода Гелий Воздух Аргон Неон Хлор Криптон Ксенон Азот Кислород Диоксид углерода Гелий Воздух Молеку- Давлелярная ние Темпемасса ратура P1 , μ, T,К кг/кмоль МПа 28,013 2 296 31,999 3 300 Размеры сосуда, м d l Расстояние r,м 1 2 2 3 50 60 44,01 4 304 1,2 3 70 4,003 28,98 39,948 20,179 35,45 83,80 131,30 28,013 31,999 5 6 2,4 3,4 4,4 5,4 2,8 3,8 4,8 308 294 298 302 306 295 297 299 301 2,1 1,1 2,3 1,3 2,4 1,4 1,5 0,9 0,8 4 5 6 7 8 9 1,4 2,4 3,4 80 100 110 120 130 140 150 160 170 44,01 5,8 303 1 4,4 180 4,003 28,98 39,948 20,179 35,45 83,80 131,30 28,013 31,999 2,2 3,2 4,2 5,2 2,6 3,6 4,6 5,6 6,2 305 307 297 293 291 289 287 295 292 2,1 1,6 1,4 1,2 1,3 0,9 1,5 1,1 0,8 5,4 6,4 7,4 8,4 1,8 2,8 3,8 4,8 5,8 190 200 105 115 125 135 145 155 165 44,01 6,4 290 1,6 6,8 175 4,003 28,98 1,8 1,6 288 287 1,7 1,8 7,8 8,8 185 195 5. ТРОТИЛОВЫЙ ЭКВИВАЛЕНТ ВЗРЫВА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН РАЗРУШЕНИЙ 5.1. Расчет участвующей во взрыве массы вещества Последствия взрывов определяются в первую очередь массой участвующего вещества и его характеристиками. Масса горючего вещества, участвующего во взрыве, может применяться при выборе основных направлений технических мероприятий по защите объектов и персонала от воздействия взрыва парогазовых сред, а также твердых и жидких химически нестабильных соединений (перекисные соединения, ацетилениды, нитросоединения различных классов, продукты осмоления, трихлористый азот и др.), способных взрываться. В основу определения массы вещества положена нормативная методика, приведенная в [13]. Расчет дает ориентировочные значения участвующей во взрыве массы вещества. Методика основана на результатах исследований крупномасштабных взрывов на промышленных объектах и экспериментальных взрывов. При этом приняты следующие условия и допущения: в расчетах принимаются общие приведенные массы парогазовых сред M и соответствующие им энергетические потенциалы E , полученные при количественной оценке взрывоопасности технологических блоков. Для конкретных реальных условий значения M и E могут определяться другими методами с учетом эффекта диспергирования горючей жидкости в атмосфере под воздействием внутренней и внешней энергий, характера раскрытия технологической системы, скорости истечения горючего продукта в атмосферу и других возможных факторов. Масса твердых и жидких химически нестабильных соединений M HC определяется достаточно просто по их содержанию в технологической системе, блоке, аппарате. 61 Массу парогазовых веществ M ПГ , кг, участвующих во взрыве, определить достаточно сложно, поэтому упрощенно она находится по следующему соотношению: M ПГ Z M , (5.1) где Z – доля приведенной массы парогазовых веществ, участвующих во взрыве; M – общая масса горючих парогазовых веществ, кг. В общем случае для неорганизованных парогазовых облаков в незамкнутом пространстве с большой массой горючих веществ доля участия их во взрыве Z может приниматься равной 0,1. В отдельных обоснованных случаях доля участия веществ во взрыве может быть снижена, но не менее чем до 0,02. Для производственных помещений (зданий) и других замкнутых объемов значения Z могут приниматься в соответствии с табл. 5.1. Таблица 5.1 Значение Z для замкнутых объемов (помещений) Вид горючего вещества Водород Горючие газы Пары легковоспламеняющихся и горючих жидкостей Z 1,0 0,5 0,3 Инициация взрыва может иметь различные источники воспламенения: постоянные (открытый огонь, печи, факелы, невзрывозащищенная электроаппаратура, проведение огневых и электрогазосварочных работ и т. п.) или случайные (временные огневые работы, транспортные средства, молния, искра, горячая поверхность и т. п.). 62 Задание 9 для самостоятельной работы Определить массу парогазовых веществ, участвующих во взрыве, если известна общая масса горючей парогазовой среды M и место, где происходят взрывные превращения. Исходные данные для решения задачи взять в соответствии со своим вариантом из табл. 5.2. По окончании расчетов сделайте выводы. Таблица 5.2 Исходные данные для решения задания 9 № варианта Горючее Вещество 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Изобутан н-Пентан 1-Бутен Циклогексанол Водород Толуол Пропан Метанол н-Бутан Циклогексан Аммиак Ацетон 1,3-Бутадиен н-Октан Метиацетилен Этиленгликоль Этилен Бензол Ацетилен Общая масса Тип парогавещест- зовой ва среды M , кг ГГ 50 ЛВЖ 10 ГГ 100 ГЖ 20 ГГ 150 ЛВЖ 30 ГГ 200 ГЖ 40 ГГ 250 ЛВЖ 50 ГГ 300 ГЖ 60 ГГ 350 ЛВЖ 70 ГГ 400 ГЖ 80 ГГ 450 ЛВЖ 90 ГГ 500 Характеристика пространства, где происходит взрыв Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство 63 Окончание табл. 5.2 № варианта 20 21 22 23 24 25 Горючее вещество Этанол Водород н-Гексан Этан Фенол 2-Бутен Общая масса Тип парогавещест- зовой ва среды M , кг ГЖ 25 ГГ 550 ЛВЖ 35 ГГ 600 ГЖ 45 ГГ 650 Характеристика пространства, где происходит взрыв Производственное помещение Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство Производственное помещение Открытое пространство 5.2. Оценка уровня воздействия взрыва по тротиловому эквиваленту Для оценки уровня воздействия взрыва на объекты необходимо знать массу взорвавшегося вещества. Однако каждое взрывчатое вещество обладает различными характеристиками. Чтобы сделать подход к оценке последствий различных взрывов единым, принято это делать через тротиловый эквивалент. Тротиловый эквивалент представляет собой массу тротила M Т , при взрыве которой выделяется столько же энергии, сколько выделится при взрыве заданного количества конкретного горючего или взрывчатого вещества. Значение тротилового эквивалента, кг, определяется для конденсированных взрывчатых веществ по соотношению: M T k1 M BB , (5.2) где M BB – масса конденсированного взрывчатого вещества, кг; 64 k1 – коэффициент приведения данного взрывчатого вещества к тротилу [13], который может быть принят по табл. 5.3. Таблица 5.3 Значения коэффициента приведения взрывчатого вещества к тротилу k1 Конденсированное взрывчатое вещество Тротил (тринитротолуол) Тритонал Гексоген ТЭН (тетранитропентаэритрит) Аммонал Порох ТНР (тринитрорезорцинат свинца) Тетрил Коэффициент приведения k1 1,00 1,53 1,30 1,39 0,99 0,66 0,39 1,15 Тротиловый эквивалент взрыва парогазовой среды M T , кг, определяемый по условиям адекватности характера и степени разрушения при взрывах парогазовых облаков, а также твердых и жидких химически нестабильных соединений, может быть рассчитан по следующим формулам [13]: 1) для парогазовых сред MT 0,4 QH M ПГ , 0,9 QT (5.3) где 0,4 – доля энергии взрыва парогазовой среды, затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны; 0,9 – доля энергии взрыва ТНТ, затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны; QH – низшая теплота сгорания взрываемой горючей среды, кДж/кг; QT – удельная энергия взрыва ТНТ, кДж/кг. При расчетах ее принимают QT = 4520 кДж/кг; 65 M ПГ – масса парогазовых веществ, участвующих во взрыве, кг; определяют по формуле (5.1); 2) для твердых и жидких химически нестабильных взрывоопасных соединений MT QHC M HC , QT (5.4) где M HC – масса твердых и жидких химически нестабильных соединений, кг; Q HC – удельная энергия взрыва твердых и жидких химически нестабильных соединений, кДж/кг. Выражения (5.1) – (5.4) составлены для взрыва, при котором ударная волна распространяется во все стороны от точки взрыва беспрепятственно, т. е. в виде сферы. Очень часто на практике взрыв, особенно конденсированных взрывчатых веществ, происходит на некоторой поверхности, например на земле. При этом ударная волна распространяется в воздухе в виде полусферы. Вся выделившаяся при взрыве энергия распространяется во все стороны в пределах полусферы и, следовательно, значение массы взрывающегося вещества как бы удваивается (в определенных случаях можно говорить о сложении прямой и отраженной волны). Для взрыва на не абсолютно твердой поверхности, например на грунте, часть энергии расходуется на образование воронки. Учет этого расхода выполняется с помощью коэффициента k 2 , значения которого приведены в табл. 5.4. Чем меньше подстилающая поверхность позволяет затрачивать энергию на образование воронки, тем ближе значение коэффициента k 2 к 1. Другой предельный случай соответствует ситуации, когда подстилающая поверхность беспрепятственно пропускает энергию взрыва, например, при взрыве в воздухе. В этом случае значение коэффициента k 2 равно 0,5. 66 Таблица 5.4 Значения коэффициента k 2 , учитывающего характер подстилающей поверхности Поверхность Металл Бетон Асфальт Дерево Грунт Коэффициент 1,0 0,95 0,9 0,8 0,6 k2 С учетом изложенного выше и формулы (5.2), значение M Т в общем случае, когда взрыв конденсированного взрывчатого вещества происходит на поверхности, может быть определено по формуле: M T 2 k1 k 2 M BB . (5.5) Пример. На поверхности земли в открытое пространство произошел взрыв 2 кг конденсированного взрывчатого вещества гексогена. Определить тротиловый эквивалент взрыва. Решение. Для нашего случая тротиловый эквивалент для взрыва конденсированного взрывчатого вещества может быть определен по формуле (5.5) с учетом пояснений, сделанных для формул (5.1) – (5.4). Тогда масса тротила, кг, составит: M T 2 k1 k 2 M BB 2 1,3 0,6 2 3,12 . Здесь принято: k1 1,3 по табл. 5.3 для гексогена; k 2 0,6 по табл. 5.4 для подстилающей поверхности из грунта. 67 Задание 10 для самостоятельной работы Определить тротиловый эквивалент взрыва горючего вещества, масса которого составляет M , кг. Предполагается, что в одном случае взрыв происходит в воздухе, в другом случае − на поверхности материала. При решении задачи принять, что если взрывчатым веществом является жидкость, то она при проливе испарилась, и ее пары с воздухом взорвались. Свойства жидкости принять по табл. 3.11. Исходные данные для решения задачи взять в соответствии со своим вариантом из табл. 5.5. По окончании расчетов сделайте выводы. Таблица 5.5 Исходные данные для решения задания 10 № вар. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 68 Горючее вещество Тритонал Амилен н-Гексан Бензол Аммонал 1-Бутен 1,2-Дихлорэтан Изопентан Изопропилбензол Порох о-Ксилол н-Пентан н-Бутилацетат Циклогексан Гексоген Этилбензол Диэтилэфир Амилацетат Толуол Тип Масса M , вещества кг ВВ 5 ЛВЖ 50 ЛВЖ 70 ЛВЖ 60 ВВ 8 ЛВЖ 40 ЛВЖ 30 ЛВЖ 80 ЛВЖ 90 ВВ 10 ЛВЖ 15 ЛВЖ 45 ЛВЖ 65 ЛВЖ 25 ВВ 7 ЛВЖ 35 ЛВЖ 95 ЛВЖ 85 ЛВЖ 75 Подстилающая поверхность Металл Бетон Асфальт Дерево Грунт Металл Бетон Асфальт Дерево Грунт Металл Бетон Асфальт Дерево Грунт Металл Бетон Асфальт Дерево Окончание табл. 5.5 № вар. 20 21 22 23 24 25 Горючее вещество ТНР н-Октан Диэтиламин н-Гептан Ацетон Тетрил Тип Масса M , вещества кг ВВ 4 ЛВЖ 100 ЛВЖ 125 ЛВЖ 105 ЛВЖ 115 ВВ 6 Подстилающая поверхность Грунт Металл Бетон Асфальт Дерево Грунт 5.3. Определение радиусов зон разрушений при взрывах Происходящие на производстве взрывы приводят к разрушению зданий, сооружений, оборудования и травмированию людей. Поэтому важно знать заранее, к каким разрушениям может привести возможный взрыв. При взрыве газопаровоздушной среды зоной разрушения считается площадь с границей, определяемой радиусом R , центром которой является рассматриваемый технологический блок, объект или эпицентр взрыва. Границы каждой зоны характеризуются значениями избыточных давлений во фронте ударной волны P и соответственно безразмерным коэффициентом K , характеризующим воздействие ударной волны взрыва на объект. Классы зон возможных разрушений при взрыве облаков топливно-воздушной смеси в помещении и коэффициенты K , в зависимости от создаваемого избыточного давления P , представлены в табл. 5.6. Данная таблица используется для нахождения размеров зон возможных разрушений от взрывной волны, и, зная характеристику зоны поражения, можно определить избыточное давление во взрывной волне и массу участвовавшего во взрыве взрывчатого вещества. 69 Таблица 5.6 Уровень возможных разрушений при взрывном превращении облаков топливовоздушных смесей [13, 14] ИзбыКласс точное КоэфЗона зоны давление фициразруХарактеристика зоны поражения ент разрушений P , шения K кПа 1 ≥ 100 3,8 Полных Разрушение и обрушение всех элементов зданий и сооружений, включая подвалы, процент выживания людей: – для административно-бытовых зданий и зданий управления обычных исполнений – 30 %; – для производственных зданий и сооружений обычных исполнений – 0 % 2 70 5,6 Сильных Разрушение части стен и перекрытий верхних этажей, образование трещин в стенах, деформация перекрытий нижних этажей. Возможно ограниченное использование сохранившихся подвалов после расчистки входов. Процент выживания людей: – для административно-бытовых зданий и зданий управления обычных исполнений − 85 %: – для производственных зданий и сооружений обычных исполнений – 2 % 3 28 9,6 Средних Разрушение главным образом второстепенных элементов (крыш, перегородок и дверных заполнений). Перекрытия, как правило, не обрушаются. Часть помещений пригодна для использования после расчистки обломков и произведения ремонта. Процент выживания людей: для административно-бытовых зданий и зданий управления обычных исполнений – 94 % 70 Окончание табл. 5.6 ИзбыКласс точное КоэфЗона фицизоны давлеразруХарактеристика зоны поражения ент разрушений P ние , шения K кПа 4 14 28 Слабых Разрушение оконных и дверных заполнений и перегородок. Подвалы и нижние этажи полностью сохраняются и пригодны для временного использования после уборки мусора и заделки проемов. Процент выживания людей: – для административно-бытовых зданий и зданий управления обычных исполнений − 98 %; – для производственных зданий и сооружений обычных исполнений – 90 % 5 ≤2 56 Расстек- Разрушение стекольных заполнений. ления Процент выживших людей – 100 % При выполнении инженерных расчетов по определению возможных радиусов зон поражений R , м, последние в общем виде могут быть определены по формулам: при M ≤ 5000 кг 3 RK MT 3180 2 1 M T 1 , (5.6) 6 при M ≥ 5000 кг R 3 MT , (5.7) где M – масса парогазовой среды, участвующей во взрыве, кг; K – безразмерный коэффициент, характеризующий воздействие 71 взрыва на объект и определяемый по табл. 5.6; M T – тротиловый эквивалент взрыва, кг, рассчитываемый по формулам (5.2) – (5.4). По уровню сделанных взрывной волной разрушений с использованием табл. 5.6 можно рассчитать массу взрывчатого вещества в тротиловом эквиваленте, участвовавшего во взрыве. Или, наоборот, зная массу взрывчатого вещества в тротиловом эквиваленте, которое может участвовать во взрыве, можно рассчитать размер каждой зоны с определенной характеристикой поражения. Данная методика широко используется сотрудниками МЧС России на практике, когда необходимо оценить последствия взрыва. Пример. Определить максимальное расстояние от центра взрыва паров изобутилового спирта в производственном цехе, при котором человек временно потеряет слух. Масса взорвавшегося спирта составляет M = 10 кг. Временная потеря слуха у человека наблюдается при избыточном давлении в ударной волне PИЗБ 2 кПа. Решение. Рассчитаем по формуле (5.3), с учетом формулы (5.1), тротиловый эквивалент взрыва в воздухе паров изобутилового спирта, кг, MT 0,4 36743 0,3 10 10,8 , 0,9 4520 где принято: – для изобутилового спирта теплота сгорания по табл. 3.11 Q H = 36743 кДж/кг; – доля приведенной массы парогазовых веществ Z, участвующих во взрыве, для производственного помещения принята, по табл. 5.1, равной 0,3. 72 Так как масса парогазовой смеси не превышает 5000 кг, то расчет радиуса зоны, где человек временно при взрыве потеряет слух, можно определить по формуле (5.6). При этом безразмерный коэффициент K , характеризующий воздействие волны взрыва на объект, принимается, в соответствии со значением избыточного давления в ударной волне PИЗБ 2 кПа и табл. 5.6, равным 56. Тогда радиус зоны, м, составит: 3 R 56 10,8 3180 1 10,8 2 1 27,2 . 6 Вывод. При нахождении человека в зоне возможного взрыва с радиусом поражения 27,2 м существует большая вероятность временной потери им слуха. При взрыве произойдет разрушение стекольного заполнения оконных проемов и незначительное повреждение оборудования. Задание 11 для самостоятельной работы Определить радиусы зон разрушений для всех 5 классов (табл. 5.7) при возможном взрыве парогазовой смеси, масса которой составляет M , кг. Взрыв происходит в воздухе на открытом пространстве. Построить в масштабе эскиз с зонами разрушений. Свойства горючего вещества принять по табл. 3.11. Исходные данные для решения задачи взять в соответствии со своим вариантом из табл. 5.7. Определите максимальное расстояние от центра взрыва, где будет наблюдаться наибольшая вероятность разрыва барабанных перепонок у человека, если последнее происходит при 73 избыточном давлении в ударной волне 40 кПа. По окончании расчетов сделайте выводы. Таблица 5.7 Исходные данные для решения задания 11 № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 74 Горючее вещество Диэтиламин н-Гептан Ацетон о-Ксилол н-Пентан н-Бутилацетат Циклогексан Ацетальдегид 1,3-Бутадиен Дивиниловый эфир Амилен н-Гексан Бензол н-Октан 1-Бутен 1,2-Дихлорэтан Изопентан Изопропилбензол н-Гексиловый спирт н-Бутиловый спирт Этилбензол Диэтилэфир Амилацетат Толуол н-Амиловый спирт Масса горючего вещества 1000 2000 3000 4000 4500 500 1500 2500 3500 4500 900 800 700 600 550 400 300 200 1200 1400 1600 1800 2200 2400 2600 M , кг 6. ВЗРЫВОЗАЩИТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ЗДАНИЙ При взрыве внутри замкнутых объемов резко повышается давление, что может привести к разрушениям как самого оборудования, так и зданий, где это оборудование находится. Для предотвращения разрушений необходимо обеспечить возможность сброса давления взрыва через предохранительные устройства. Таких устройств в настоящее время в промышленности применяется достаточно много, поэтому ниже будут рассмотрены только некоторые из них, которые нашли наиболее широкое применение на практике. 6.1. Предохранительные мембраны Простота конструкции и быстродействие предохранительных мембран характеризует их как наиболее надежное и простое средство взрывозащиты технологического оборудования. Основным недостатком мембраны является то, что после ее срабатывания оборудование остается открытым до замены сработавшей мембраны. В настоящее время в промышленности используется широкий круг различных типов предохранительных мембран: разрывные, ломающиеся, срезные, хлопающие, специальные. Ниже будет рассмотрен только первый тип предохранительных мембран – разрывных. С остальными типами мембран и методами их расчета можно ознакомиться в специальной литературе. При нагружении рабочим давлением мембрана испытывает большие пластические деформации и приобретает ярко выраженную форму купола (часто эту форму придают заранее), как показано на рис. 6.1. 75 Разрывные мембраны обычно изготавливают из тонколистового проката пластичных металлов, таких как алюминий, медь, никель, сталь и других, а также огнеупорных материалов, таких как листовой асбест, когда имеются повышенные температурные условия работы мембраны. Металлопрокат для мембраны обычно берется в мягком отожженном состоянии. Δ Мембрана Δo H R D Рис. 6.1. Расчетная схема разрывной мембраны Для использования мембран на низкие давления срабатывания на них делаются радиальные или круговые риски, чтобы облегчить возможность разрыва мембраны при заданном давлении. Так как заранее нельзя точно знать, при каком давлении мембрана разрушится, то на практике давление срабатывания предохранительной мембраны обычно указывают в определенном диапазоне, например 1,5–1,7 МПа. Задачей расчета предохранительной мембраны является определение какого-либо характерного ее конструктивного размера, обычно толщины мембраны, исходя из заданного давления срабатывания мембраны. На сегодняшний день существует множество листовых материалов, которые используются при изготовлении предохранительных мембран. Некоторые из таких материалов приведены в табл. 6.1. 76 Таблица 6.1 Механические характеристики и сортамент рекомендуемого металлопроката [18] Металлопрокат Предел проч- Относительное Состояние ности при поставки одноосном удлинение материала растяжении при разσ ВР , МПа рыве δ Никель: НП1, НП2, НП3, НП4 Мягкий 400 Монель: НМЖМ 28−2,5−1,5 Мягкий 450 Алюминий: АД1; АД; АДО; А7; А6; А5; А0 Мягкий Медь: М1; М2; М3 Мягкий 30−40 − − − − − − − − 60 − − 200 0,35 − − − − − 0,25 − − − − 0,20−0,25 − − − − − − − − − − − 0,30 − − − − − Толщина, мм 0,05; 0,55; 0,06; 0,07; 0,08; 0,09; 0,10; 0,12; 0,13; 0,15; 0,18; 0,20 0,22; 0,25; 0,30; 0,35; 0,40; 0,45 0,10; 0,12; 0,15; 0,18 0,20; 0,22; 0,25; 0,30; 0,35; 0,40; 0,45; 0,50 0,005; 0,012; 0,014; 0,018; 0,020; 0,025; 0,030; 0,035; 0,040; 0,045; 0,050 0,06; 0,07; 0,08; 0,10; 0,12; 0,15; 0,18; 0,20 0,25; 0,30; 0,40; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80 0,05; 0,09 0,10; 0,12;0,14; 0,16; 0,18; 0,20; 0,22; 0,25; 0,28; 0,30; 0,35; 0,40; 0,45; 0,50; 0,55 Максимальная ширина полосы металла, мм 175 − − − 200 − 175 − 250 − − 800 − − − − − 960 − − 300−1000 − − 175 До 300 − − − − 77 Перед разрывом мембрана работает как тонкостенная сферическая оболочка радиусом R и толщиной o , защемленная по контуру диаметром D . Разрывное давление мембраны PP , МПа, может быть определено по формуле: PP 8 o σ ВР D 1 δ 1 , 1 δ (6.1) где o – толщина материала мембраны, мм; σ BP – временное сопротивление материала при растяжении (предел прочности), МПа; R – радиус кривизны серединной поверхности оболочки мембраны, как показано на рис. 6.1, мм; δ – относительное удлинение материала при разрыве. Если мембрана работает при температуре, отличной от 20 оС, то в формулу (6.1) необходимо ввести как множитель поправочный коэффициент K t [18]. Значения механических характеристик листового металла могут быть взяты из справочников [18], или по табл. 6.1. Пример. Определить разрывное давление PP мембраны из меди, толщиной 0,1 мм. Температура среды 20 оС. Диаметр контура мембраны составляет 100 мм. Решение. Для листовой меди толщиной 0,1 мм в мягком состоянии из табл. 6.1 выпишем ее механические характеристики: σ BP = 200 МПа; δ = 0,30; максимальная ширина полосы металла – до 300 мм. По формуле (6.1) определим разрывное давление, МПа, для нашей мембраны: PP 78 8 0,1 200 100 1 0,30 1 0,525 . 1 0,30 Задание 12 для самостоятельной работы Определить толщину материала предохранительной мембраны, если расчетное разрывное давление мембраны равно PP . Температура среды, где установлена мембрана, составляет 20 оС. Диаметр контура мембраны D . Подберите по табл. 6.1 стандартную толщину материала мембраны. Исходные данные для решения задачи взять в соответствии со своим вариантом из табл. 6.2. По окончании расчетов сделайте выводы. Таблица 6.2 Исходные данные для решения задания 12 № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Материал мембраны Никель Монель Алюминий Медь Никель Монель Алюминий Медь Никель Монель Алюминий Медь Никель Монель Алюминий Медь Никель Монель Алюминий Медь Никель Расчетное разрывное давление PP , МПа 0,75 3,0 0,12 0,6 1,25 2,0 0,2 1,2 0,5 1,0 0,18 0,8 1,0 1,5 0,15 0,4 1,5 2,5 0,16 0,2 2,0 Диаметр контура мембраны D , мм 50 175 200 75 100 150 125 100 150 125 150 150 125 100 250 50 75 50 100 125 175 79 Окончание табл. 6.2 № варианта 22 23 24 25 Материал мембраны Монель Алюминий Медь Никель Расчетное разрывное давление PP , МПа 0,5 0,08 1,0 2,5 Диаметр контура мембраны D , мм 75 75 175 50 6.2. Предохранительные взрывные клапаны Эксплуатация различных огнетехнических, теплосиловых и технологических установок (топок, печей, сушилок, котлов, топливосжигающих устройств и т. п.), работающих на органическом топливе, всегда связана с высокой взрывоопасностью. Безопасная эксплуатация котлов, теплосилового оборудования, зданий и сооружений обслуживающим персоналом определяется правильностью расчетов систем безопасности уже на стадии проектирования. При сжигании газового, жидкого или пылевидного топлива, а также в различных технологических процессах в воздухе может образоваться взрывоопасная смесь. Давление в замкнутом объеме при взрыве может достигать 0,7–1,0 МПа, а большинство конструктивных элементов ограждающих конструкций разрушается уже при давлении до 0,05 МПа. Так, например, кирпичные стены толщиной 51 см разрушаются при давлении 0,05 МПа, остекленные оконные проемы – при 0,002–0,02 МПа. Образование взрывоопасной газо- или пылевоздушной смеси может иметь место при утечках газа, неправильной работе горелок и форсунок. Для предотвращения разрушения элементов топочных устройств, работающих на газовом, жидком или пылевидном топливе, последние должны быть оснащены предохранительными взрывными клапанами. Эти клапаны обеспечивают 80 своевременный сброс давления продуктов сгорания из места взрыва в окружающую среду. Наибольшее распространение получили взрывные предохранительные клапаны трех видов, как показано на рис. 6.2. Взрывные предохранительные клапаны Откидные Разрывные Сбросные Рис. 6.2. Типы взрывных предохранительных клапанов Широкое применение в котлах и технологическом оборудовании получили клапаны разрывного типа. Принципиальное устройство клапана показано на рис. 6.3. 1 2 3 4 5 6 7 2 3 8 Рис. 6.3. Взрывной предохранительный клапан (разрывного типа): 1 асбестовая разрушающаяся мембрана; 2, 8 фланцы; 3 металлическая крупноячеистая сетка; 4 огнеупорный слой; 5 теплоизоляционный слой; 6 упорный уголок; 7 короб 81 В ограждении топочного устройства делается окно, куда крепится короб 7 клапана. Короб на конце имеет фланец 2, на который накладывается крупноячеистая металлическая сетка 3 (40х40 или 50х50 мм) и асбестовая мембрана 1 толщиной 2–3 мм. Все это прижимается накладным фланцем 8. Асбестовый лист такой толщины не пропускает дымовые газы наружу при эксплуатации котла и выдерживает давление, создаваемое дымовыми газами. Однако он непрочен и при воздействии на него динамических нагрузок легко разрушается при взрыве газов. Асбестовый лист может длительно работать при температурах газов 500 оС, кратковременно – при 700 оС, что необходимо учитывать при установке взрывных клапанов. Поэтому взрывные предохранительные клапаны устанавливают таким образом, чтобы они не подвергались из топочного пространства прямому тепловому воздействию факела. Для предохранения технологического оборудования от разрушения при взрывах используют откидные клапаны (рис. 6.4), которые представляют собой плиту, находящуюся на вертикальной или горизонтальной стенке в наклонном положении, закрепленную с одной стороны на оси клапана. При взрыве клапан поворачивается вокруг оси и дает возможность свободного выхода газов, образовавшихся при взрыве. Масса клапана должна быть достаточной для обеспечения плотного его прилегания к корпусу. Сам откидной клапан представляет собой плоскую конструкцию, изготовленную из асбестового листа толщиной 8–10 мм, уложенного на металлическую сетку. Все это закреплено с двух сторон фланцами. Для герметизации клапан обмазывают огнеупорной замазкой (огнеупорной глиной). Сбросные клапаны представляют собой плиту, конструктивно похожую на откидной клапан, укладываемую горизонтально, которая при работе оборудования под своей тяжестью плотно лежит в «седле» клапана. При взрыве она отбрасывается в сторону. Для того чтобы при отлете клапан не нанес вреда и не травмировал обслуживающий персонал, он прикрепляется 82 с помощью троса к какому-нибудь основанию, что позволяет ограничить расстояние отлета клапана. 1 2_ 3 а 1 2 4 б Рис. 6.4. Принципиальная конструкция взрывного предохранительного клапана: а – откидного типа; б – сбросного типа; 1 – ограждающая конструкция топочного устройства; 2 клапан; 3 ось; 4 трос Устанавливают клапаны на перекрытиях и стенах топок и газоходов. Наиболее целесообразно устанавливать взрывные клапаны в верхней части топочной камеры или газохода, для той части объема, где возможны взрывы. Форма взрывных предохранительных клапанов должна быть квадратной или круглой, т. к. в этом случае для разрыва асбестовой мембраны требуется наименьшее давление. Расчет и подбор взрывных предохранительных клапанов должен выполняться в соответствии с действующими нормативными документами [15, 16]. В соответствии с указанными документами: – для котлов паропроизводительностью до 10 т/ч на 1 м3 внутреннего объема топки или газоходов необходимо не менее 83 0,025 м2 клапана. Площадь поверхности клапана должна быть не менее 0,15 м2; – для котлов паропроизводительностью от 10 до 60 т/ч на 1 м3 внутреннего объема топки или газоходов необходимо не менее 0,025 м2 клапана. Они должны быть установлены над топкой общей площадью поверхности не менее 0,2 м 2, на газоходах – не менее двух клапанов с минимальной суммарной площадью поверхности 0,4 м2. При расчете площади взрывных предохранительных клапанов для технологического оборудования следует принимать площадь одного взрывного клапана не менее 0,05 м2. Задание 13 для самостоятельной работы Задача. Рассчитать минимальную площадь взрывного предохранительного клапана, устанавливаемого в топке парового котла, работающего на газообразном топливе. Объем топки VT , где может скопиться взрывоопасная смесь, и мощность котла приведены в табл. 6.3. Определить, какую площадь поверхности должен иметь устанавливаемый взрывной предохранительный клапан с учетом требований, приведенных выше. Исходные данные для решения задачи взять в соответствии со своим вариантом из табл. 6.3. По окончании расчетов сделайте выводы. Таблица 6.3 Исходные данные для решения задания 13 № варианта 1 2 3 4 84 Паропроизводительность котла D , т/ч 2,5 4 6,5 10 Объем топочной камеры V T , м3 4,6 8 11 17 Окончание табл. 6.3 № варианта 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Паропроизводительность котла D , т/ч 16 25 30 35 40 8 5 45 50 7 12 9 22 3 18 1 24 2 32 6 42 Объем топочной камеры V T , м3 22 29 36 44 52 14 10 60 72 13 19 16 26 5 24 2 28 4 42 9 56 6.3. Взрывозащита зданий и сооружений Взрывы газо- и пылевоздушных смесей могут происходить внутри зданий и сооружений. Для предотвращения разрушений от взрывов здания и сооружения должны иметь легко сбрасываемые или легко разрушаемые ограждающие конструкции: оконные переплеты, специально изготовленные проемы, двери, открывающиеся наружу, и т. п. Например, оконные переплеты в зданиях и помещениях топливоподачи должны предусматриваться одинарными и располагаться, как правило, в одной плоскости с внутренней поверхностью стен. 85 Для зданий и сооружений, где может произойти взрыв, а также в индивидуальных котельных, работающих на жидком и газообразном топливе, следует предусматривать легкосбрасываемые ограждающие конструкции из расчета 0,03 м2 на 1 м3 объема помещения [15]. Задание 14 для самостоятельной работы Задача. Рассчитать минимальную площадь легко сбрасываемых или легко разрушаемых конструкций здания газокомпрессорной станции с внутренними размерами, которые приведены в табл. 6.4. Записать, что может быть использовано в качестве легко сбрасываемых и легко разрушаемых конструкций. Исходные данные для решения задачи взять в соответствии со своим вариантом из табл. 6.4. Таблица 6.4 Исходные данные для решения задания 14 № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 86 Внутренние размеры здания газокомпрессорной станции (длина – ширина – высота), м 12х6х4 10х6х6 12х12х4 12х12х6 18х12х6 20х10х6 24х12х10 18х12х10 36х12х10 24х6х4 12х6х6 36х12х6 24х12х6 18х10х8 8х6х4 Окончание табл. 6.4 № варианта 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Внутренние размеры здания газокомпрессорной станции (длина – ширина – высота), м 20х12х6 16х12х8 24х6х6 30х12х6 16х6х4 24х8х6 18х6х4 18х12х8 16х8х4 24х12х8 6.4. Предохранительные клапаны В процессе эксплуатации сосудов под давлением возможны случаи превышения в них давления среды относительно номинального, что может привести к их разрушению и аварийным ситуациям. Поэтому образовавшиеся замкнутые объемы с паром или жидкостью, ограниченные запорными органами, должны быть защищены предохранительными устройствами, автоматически предотвращающими повышение давления сверх допустимого путем выпуска рабочей среды в атмосферу или утилизационную систему. Для предотвращения взрывов в системах паро- и водопроводах паровых и водогрейных котлов, а также при сжатии газа используют различные предохранительные клапаны (не путать с взрывными предохранительными клапанами!), которые автоматически сбрасывают давление пара или воды, если оно становится выше допустимого. В качестве предохранительных устройств допускается применять: 87 а) рычажно-грузовые предохранительные клапаны прямого действия; б) пружинные предохранительные клапаны; в) импульсные предохранительные клапаны. Использование других защитных устройств допускается после согласования с Ростехнадзором. Наиболее широко используемым, надежным, простым и легко регулируемым считается клапан рычажной конструкции, схема которого изображена на рис. 6.5. 2 5 3 4 1 Рис. 6.5. Предохранительный рычажный клапан: 1 трубопровод; 2 рычаг; 3 клапан; 4 – седло клапана; 5 регулировочный груз На трубопровод приваривается фланец с седлом 4. Сам клапан 3 прижимается сверху рычагом 2, который с одной стороны закреплен на оси к трубопроводу 1, а с другой стороны имеет регулируемый груз 5. За счет грузов и рычага клапан 3 плотно прижимается к седлу 4. При достижении средой давления в трубопроводе, равного давлению срабатывания клапана, клапан приподнимается вместе с рычагом, и пар или вода выходят из системы, давление при этом понижается. С помощью грузов 5 можно регулировать давление срабатывания (подъема из седла) клапана. 88 Принципиальная конструкция пружинного клапана показана на рис. 6.6. 2 3 1 4 5 6 7 8 Рис. 6.6. Пружинный предохранительный клапан: 1 – корпус; 2 – натяжной винт с резьбой; 3 – шток; 4 – упорная шайба; 5 – пружина; 6 – тарелка клапана; 7 – трубопровод; 8 – седло клапана В приваренном к трубопроводу корпусе 1 в верхней части имеется отверстие с резьбой, куда вворачивается натяжной винт 2. Винт внутри полый, и внутри этой полости может свободно двигаться шток 3, на конце которого закреплена тарелка клапана 6. Нижний конец винта 2 с шайбой 4 является упором для пружины 5, которая прижимает с определенной силой тарелку 6 89 к седлу клапана 8. За счет вкручивания винта 2 или его выкручивания можно регулировать силу прижимания тарелки к седлу клапана, т. е. регулировать давление открытия клапана. Корпус 1 имеет в верхней вертикальной части каналы для прохода среды при срабатывании клапана. Для обслуживания в аварийном режиме установок большой единичной мощности требуются предохранительные клапаны с большой пропускной способностью и высокой надежностью. Этим условиям удовлетворяют импульсные предохранительные клапаны непрямого действия. Такие клапаны представляют собой предохранительный клапан непрямого действия и главный предохранительный клапан с большой пропускной способностью, который обычно приводится в действие поршневым приводом главного клапана. При возникновении в системе давления, превышающего установленное, открывается импульсный предохранительный клапан и он направляет рабочую среду в привод главного клапана. Главный клапан открывается и сбрасывает избыточное количество среды. Импульсный предохранительный клапан представляет собой рычажно-грузовой предохранительный клапан прямого действия, выполняющий роль чувствительного элемента. Благодаря наличию поршневого привода управляющее усилие на штоке главного клапана может быть достаточно большим, что обеспечивает четкое срабатывание главного клапана и надежную герметизацию запорного органа при закрытом его положении. Импульсные клапаны размещаются в непосредственной близости к главному клапану. При проектировании диаметр для прохода среды d , мм, каждого предохранительного клапана принимается по расчету. Например, для котлов он рассчитывается по наибольшей его производительности по формулам [15]: – при установке котлов с естественной циркуляцией 90 d 516 Q ; n hK (6.2) – при установке котлов с принудительной циркуляцией d 258 Q , n hK (6.3) где Q – максимальная теплопроизводительность котла, МВт; n – количество клапанов; hK – высота подъема клапана, мм. Диаметры предохранительных клапанов должны быть не менее 40 мм при производительности котла до 280 кВт и не менее 50 мм – при большей производительности. Диаметр прохода должен быть не менее 20 мм. При расчетах достаточно часто задается паропроизводительность котла D , которая соответствует определенной тепловой мощности котла Q K . Связь между ними следующая: Q K 10 3 D (i ПП i ПВ ) , 3,6 (6.4) где Q K – тепловая мощность котла, МВт; D – паропроизводительность котла, т/ч; i ПП – энтальпия перегретого пара, кДж/кг; i ПВ – энтальпия питательной воды (которая поступает в котел), кДж/кг. Задание 15 для самостоятельной работы Задача. Рассчитать диаметр минимального проходного сечения предохранительного клапана, устанавливаемого на барабане парового котла. Паропроизводительность котла D , эн91 тальпию перегретого пара i ПП и питательной воды i ПВ взять из табл. 6.5, согласно своему варианту. Таблица 6.5 Исходные данные для решения задания 12 ПаропроизТип № водитель- циркулявариан- ность котла ции воды та в котле D , т/ч 1 2,5 П 2 4 Ц 3 6,5 П 4 10 Ц 5 16 П 6 25 Ц 7 2,5 П 8 4 Ц 9 6,5 П 10 10 Ц 11 16 П 12 25 Ц 13 2,5 П 14 4 Ц 15 6,5 П 16 10 Ц 17 16 П 18 25 Ц 19 2,5 П 20 4 Ц 21 6,5 П 22 10 Ц 23 16 П 24 25 Ц 25 10 П Энтальпия перегретого пара i ПП , кДж/кг 2832 2881 2904 3079 3103 3126 2927 2948 2970 3079 3103 3126 3081 3103 3125 3009 3033 3056 2992 3014 3036 3149 3172 3147 3057 Энтальпия питательной воды i ПВ , кДж/кг 826 947 826 947 826 947 826 947 826 947 826 947 826 947 826 947 826 947 826 947 826 947 826 947 826 Высота подъема клапана hK , мм 15 14 16 26 20 28 30 40 50 12 14 48 56 18 16 10 28 12 25 16 29 17 34 11 53 Примечание. Тип циркуляции воды в котле: П – принудительная; Е – естественная. 92 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Пожары и взрывы на производстве и в быту причиняют значительный материальный ущерб и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Ущерб от пожаров и взрывов в промышленно развитых странах превышает 1 % национального дохода и имеет тенденцию постоянного роста. Такая же тенденция наблюдается и в России. Вот почему рассмотрение вопросов по их предотвращению или уменьшению последствий является чрезвычайно важным. Данное пособие рассматривает только вторую часть дисциплины «Теория горения и взрыва» – взрывы на производстве и оценка их параметров. Знание о взрывных процессах позволит студентам направления подготовки «Техносферная безопасность» правильно организовать свою работу не только при изучении других последующих дисциплин учебного плана, но и в своей дальнейшей деятельности уже в качестве специалистов, отвечающих за безопасность на производстве. В учебном пособии кратко рассматриваются вопросы, связанные с взрывными явлениями. Для этого используя различные методики, приведенные в нормативных документах, определяются и обосновываются параметры взрыва. На приведенных примерах и заданиях для самостоятельной работы студенты учатся использовать эти методики на практике. Надо отметить, что данное пособие не охватывает все имеющиеся в природе взрывы. Многие взрывные явления еще не исследованы из-за сложности протекания в них различных процессов. Ряд взрывов из-за своей специфики здесь не рассматриваются: ядерные, вакуумные, подводные и др. В пособии рассмотреть все вопросы по взрывным явлениям невозможно, поэтому многие интересные моменты остались не освещенными. Более глубокие и современные знания слушатели могут получить при дальнейшем изучении и знакомстве со специальной литературой этого направления. 93 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основная 1. Карауш, С.А. Теория горения и взрыва : учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования / С.А. Карауш. – М. : Издательский центр «Академия», 2013. – 208 с. – (Сер. Бакалавриат). 2. Карауш, С.А. Основы процессов горения и взрывов : учебное пособие / С.А. Карауш. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.строит. ун-та, 2008. – 278 с. 3. ГОСТ Р 12.3.047–98. Пожарная безопасность технологических процессов. 4. Приказ МЧС РФ от 10 июля 2009 г. № 404. Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (с изменениями и дополнениями от 14.12.2010 г.). 5. Корольченко, А.Я. Процессы горения и взрыва / А.Я. Корольченко. – М. : Пожнаука, 2007. – 265 с. 6. Орленко, Л.П. Физика взрыва и удара: учебное пособие для вузов. – М. : Физматлит, 2006. – 304 с. 7. Тимофеева, С.С. Теория горения и взрыва: практикум / С.С. Тимофеева, Т.И. Дроздова. – Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2007. – Ч. 3. – 244 с. 8. РД 03-409–01. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (с изменениями и дополнениями). 9. О требованиях пожарной безопасности. Технический регламент: Федер. закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ // Собр. законодательства РФ. – 2008. – № 30 (ч. 1), ст. 3579. 10. Теплота сгорания. – Условия доступа: http://планыэвакуации.рф/tag/nizshaya-teplota-sgoraniya / (дата доступа 28.11.2013). 94 11. ГОСТ 31369–2008. Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава. 12. ГОСТ 28656–90. Газы углеводородные сжиженные. Расчетный метод определения плотности и давления насыщения паров. 13. ПБ 09-540–03. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. 14. Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия. РБ Г-05-039–96: нормативный документ. 15. СНиП II-35–76*. Котельные установки. 16. СНиП 42-01–2002. Газораспределительные системы. Дополнительная 17. Шебеко, Ю.М. Пособие по применению НПБ 105–95 «Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности» при рассмотрении проектно-сметной документации / Ю.М. Шебеко, И.М. Смолин, И.С. Молчадский и др. – М. : ГУП ЦПП, 2001. – 119 с. 18. Водяник, В.И. Взрывозащита технологического оборудования / В.И. Водяник. – М. : Химия, 1991. – 256 с. 95 Учебное издание Сергей Андреевич Карауш ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВОВ Редактор М.В. Пересторонина Оригинал-макет подготовлен автором Подписано в печать 15.04.2014. Формат 60×84/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 5,58. Уч.-изд. л. 5,05. Тираж 100 экз. Зак. № 117. Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2. Отпечатано с оригинал макета в ООП ТГАСУ. 634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15. 96
