Реферат: Прогнозирование состояния объекта экономики при аварии со взрывом общие положения

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА ЭКОНОМИКИ ПРИ АВАРИИ СО ВЗРЫВОМ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Процесс горения со стремительным высвобождением энергии и образованием при этом избыточного давления (более 5 кПа) называется взрывным горением.

Различают два принципиально разных режима взрывного го­рения: дефлаграционный и детонационный.

При дефлаграционном горении распространение пламени проис­ходит в слабо возмущенной среде со скоростями значительно ниже скорости звука.

При детонационном горении (детонации) распространение пла­мени происходит со скоростью, близкой к скорости звука или пре­вышающей ее.

Инициирование (зажигание) газовоздушной смеси с образова­нием очага горения возможно, если будут выполнены следую­щие условия:

концентрация горючего газа в газовоздушной смеси должна быть в диапазоне между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени;

энергия зажигания от искры (горячей поверхности) должна быть не ниже минимальной. Для большинства взрывчатых сме­сей энергия зажигания не превышает 30 Дж.

Нижний концентрационный предел (Снкп) распространения пла­мени - это такая концентрация горючего газа в смеси с окисли­тельной средой, ниже которой смесь становится неспособной к распространению пламени.

Верхний концентрационный предел (Свкп) распространения пламени - это такая концентрация горючего в смеси с окисли­тельной средой, выше которой смесь становится неспособной к распространению пламени.

Минимальная энергия инициирования (зажигания) (Эи) - наи­меньшее значение энергии электрического разряда, способное вос­пламенить смесь стехиометрического состава.

Концентрация газа стехиометрического состава (Ссх) - кон­центрация горючего газа в смеси с окислительной средой, при которой обеспечивается полное без остатка химическое взаимо­действие горючего и окислителя смеси.

При сгорании газовоздушной смеси стехиометрического со­става образуются только конечные продукты реакции горения и выделившаяся теплота их сгорания не расходуется на нагрева­ние несгоревших окислителя или горючего т.к. последние не об­разуется. По этой причине продукты сгорания нагреваются до максимальной температуры.

В случае дефлаграционного горения такой смеси, в замкну­том герметичном и теплоизолированном объеме образуются мак­симальные температура и давление. Величина максимального давления является характеристикой соответствующей газовоз­душной смеси.

Режим дефлаграционного горения может переходить в режим детонационного горения (при быстром росте скорости распрост­ранения пламени). Такому переходу способствует турбулизация процесса горения при встрече фронта пламени с препятствиями. При этом поверхность фронта пламени становится неровной, а толщина пламени увеличивается - все это вызывает рост скоро­сти распространения пламени.

В режиме детонационного горения нагрузки значительно воз­растают. Поэтому режим детонационного горения принят за рас-четньлй случай для прогнозирования обстановки при авариях со взрывом.

К основным факторам, влияющим на параметры взрыва, от­носят: массу и тип взрывоопасного вещества, его параметры и условия хранения или использования в технологическом процес­се, место возникновения взрыва, объемно-планировочные реше­ния сооружений в месте взрыва.

Взрывы на промышленных предприятиях и базах хранения мож­но разделить на две группы - в открытом пространстве и произ­водственных помещениях.

В открытом пространстве на промышленных предприятиях и базах хранения возможны взрывы газовоздушных смесей (ГВС), образующихся при разрушении резервуаров со сжатыми и сжи­женными под давлением или охлаждением (в изотермических ре­зервуарах) газами, а также при аварийном разливе легковоспла­меняющихся жидкостей.

В производственных помещениях, наряду со взрывом ГВС, воз­можны также взрывы пылевоздушных смесей (ПВС), образую­щихся при работе технологических установок.


^ ВЗРЫВ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ ДЕТОНАЦИОННЫЙ РЕЖИМ ГОРЕНИЯ


С целью проведения расчетов с гарантированным запасом по объему инженерно-спасательных работ, при обосновании исход­ных данных принимают такой случай разрушения резервуара, чтобы образовавшийся при этом взрыв газовоздущной смеси про­извел максимальное поражающее воздействие. Этот случай со­ответствует .разрушению того резервуара, в котором хранится максимальное количество горючего вещества на рассматривае­мом объекте.

Кратко рассмотрим модели воздействия, определяющие поля поражающих факторов (давлений) при прогнозировании послед­ствий взрывов газовоздушных смесей.

При взрыве газовоздушных смесей различают две зоны дей­ствия: детонационной волны - в пределах облака ГВС и воздуш­ной ударной волны - за пределами облака ГВС. В зоне облака действует детонационная волна, избыточное давление во фрон­те которой принимается постоянным в пределах облака ГВС и приблизительно равным АРД = 17 кгс/см2 (1,7 МПа).

В расчетах принимают, что зона действия детонационной вол­ны ограничена радиусом r0, который определяется из допущения, что ГВС после разрушения емкости образует в открытом про­странстве полусферическое облако.

Объем полусферического облака может быть определен по формуле:



где: : = 3,14.

Учитывая, что киломоль идеального газа при нормальных усло­виях занимает 22,4 м3, объем образовавшейся ГВС при аварийной ситуации составит:



где: k - коэффициент, учитывающий долю активного газа (долю продукта, участвующего во взрыве);

Q - количество сжиженных углеводородных газов в храни­лище до взрыва, кг;

С - стихиометрическая концентрация газа в % по объему (табл. 2.19);

mk - молярная масса газа, кг/кмоль.

Из условия равенства полусферы и объема образовавшейся смеси, получим:



При подстановке значений для метана mk=16 и С=9,45 (табл. 2.19), получим формулу:



где: Q - количество метана до взрыва, кг.


Эта формула получила широкое распространение при прове­дении расчетов по определению последствий взрывов для угле­водородных газов.

Значение коэффициента k принимают в зависимости от спо­соба хранения продукта:

k = 1 - для резервуаров с газообразным веществом;

k - 0,6 - для газов, сжиженных под давлением;

k = 0,1 - для газов, сжиженных охлаждением (хранящихся в изотермических емкостях);

k = 0,05 - при аварийном разливе легковоспламеняющихся жид­костей.

Зона действия воздушной ударной волны (ВУВ) начинается сразу за внешней границей облака ГВС. Давление во фронте удар­ной волны ДРф зависит от расстояния до центра взрыва и опреде­ляется по рис. 2.10 или табл. 2.18, исходя из соотношения:

(2.70)

где: r - расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки.





Таблица 2.18

Г/Го

0-1

1,01

1,04

1,08

1,2

1,4

1,8

2;7

ДРф. кПа

1700

1232

814

568

400

300

200

100




Г/Го

3

4

5

6

8

12

50

ЛР.|, кПа

80

50

40

30

20

10

5

Таблица 2.18 и рис.2.10 составлены путем аппроксимации значений, полученных с помощью формул, характеризующих за­висимость давления от расстояния до центра взрыва.




Рис. 2.10. Изменение значений ДР (кгс/см2) при взрыве пропанобутановых ГВС в зависимости от массы сжиженного газа Q (т) и

расстояния r(м)


Пример 1 (работа с рис. 2.10):

Определить r0 и значения Рф на расстоянии 100 м при разли­тии и взрыве ГВС Q=1000 кг. На пересечении вертикальной ли­нии r =100 м с горизонтальной Q=1000 кг получим точку А1 соответствующую Рф = 0,25 кгс/см2; г0 =15,6 м.

Пример 2 (работа с рис. 2.10):

Определить значение Q, при котором объект, выдерживающий на­грузку Рф = 0,3 кгс/см2 и удаленный на 60 м, не будет разрушен. На пересечении вертикальной линии r = 60 м c наклонной Рф =0,3 кгс/см2 получим точку А2, соответствующую Q = 320 кг.


Пример 3 (расчеты по формулам):

Взрыв облака ГВС, образованного при, разрушении резервуара с 10 кг сжиженного пропана.

Исходные данные: Q=106 кг; К=0,6; mk=44; С=4,03%.

Определить давление ударной волны на расстоянии r=200 м от цен­тра взрыва.

Расчёт:




^ ВЗРЫВЫ ГАЗОВОЗДУШНЫХ И ПЫЛЕВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Последствия взрыва на пожаровзрывоопасных предприятиях определяются в зависимости от условия размещения взрывоопас­ных продуктов. Если продукты размещаются вне помещений, то принимается, что авария развивается по сценарию взрыва в от­крытом пространстве.

Если технологический аппарат со взрывоопасными продук­тами размещен в зданиях, то авария развивается по сценарию взрыва в замкнутом объеме.

Кратко рассмотрим модели воздействия, позволяющие опре­делить поля давлений при прогнозировании последствий взры­вов в производственных помещениях.

Наиболее типичными аварийными ситуациями в этом случае считаются:

- разрушение аппарата или трубопровода со смешанными га­зами или жидкостями;

- потеря герметичности трубопроводов (разрыв сварного шва,прокладки, отрыв штуцера);

- разлив жидкостей по полу помещения или по рельефу мест­ности;

- образование или выброс горючей пыли.

В этом случае газо-, паро-, пылевоздушная смесь займет час­тично или полностью весь объем помещения. Затем этот объем заменяется расчетной сферой (в отличии от полусферы в откры­том пространстве), радиус которой определяется с учетом объе­ма помещения, типа и массы опасной смеси. При прогнозирова­нии последствий считают, что процесс в помещении развивается в режиме детонации.


^ ВЗРЫВЫ ГАЮПАГОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

При взрыве газопаровоздушных смесей (ГПВС) зону детона­ционной волны, ограниченную радиусом г0, можно определить по формуле:

(2.71)


где: 1/ 24 - коэффициент, м/кДж1/3;

Э - энергия взрыва смеси, определяемая из выражения:

(2.72)


где: Vгпвс - объем смеси, равный:


(2.73)


где: Vг - объем газа в помещении;

С - стехиометрическая концентрация горючего по объему в % (табл. 2.19);

рстх - плотность смеси стехиометрического состава, кг/м3 (табл. 2.19);

QCTX - энергия взрывчатого превращения единицы массы смеси стехиометрического состава, кДж/кг (табл. 2.19);

V0 - свободный объем помещения, равный У0=0,8УП, м3;

Vп- объем помещения.

При Vгпвс > У0 объем смеси Угпвс принимают равным У0.

В нормативной литературе по взрывозащите зданий и взрывобезопасности производств существуют специальные методи­ки по определению массы и объема газа, распространяющегося в помещении при аварийной ситуации. Эти методики предусмат­ривают тщательное изучение технологического процесса. Для оперативного прогнозирования последствий взрыва в производственных помещениях расчеты целесообразно проводить для слу­чая, при котором будут максимальные разрушения, то есть когда свободный объем помещения, где расположены емкости с газом, будет полностью заполнен взрывоопасной смесью стехиометрического состава.

Тогда уравнение (2.72) по определению энергии взрыва мож­но записать в виде:



Далее принимается, что за пределами зоны детонационной волны с давлением 17 кгс/см2 действует воздушная ударная вол­на, давление во фронте которой определяется с использованием данных табл. 2.18 или рис. 2.10.

Таблица 2.19

Характс

Вещество, характеризующее смесь

эристики г

Формула вещества, образующего смесь

азопаровоздушных смесей

Характеристики смеси

mk кг/моль

Per,,

кг/м3

qctx,

МДж/кг

с,

об. %

1

2

3

4

5

6

Газовоздушные смеси

Аммиак

СН3

15

1,180 _

2,370

19,72

Ацетилен

СгН2

26

1.278

3,387

7,75

Бутан

C-iHio

58

1328

2,776

3,13

Бутилен

C4HS

56

1,329

2,892

3,38

Винилхлорид

C2H3CI

63

1,400

2,483

7,75

Водород

Н2

2

0,933 .

3,425

29,59

Дивинил

CjHft

54

1,330

2,962

3,68

Метан

сн,

16

1,232

2,763

9,45

Окись углерода

со

28

1,280

2,930

29,59

Пропан

С3Н*

44

1,315

2,801

4,03

Пропилен

С3Н6

42

3,314

2,922

4,46

Этан

С2Н(,

30

L250

2,797

5,66

Этилен

С2Н4

28

1,285

1,285

6,54

Паровоздушные смеси

Ацетон

С3Н60

58

1,210

3,112

4,99

Бензин авиационный




94

1,350

2,973

2,10

Бензол

С6Н6

78

1,350

2,937

2,84

Гексан

СбН|4

86

1,340

2,797

2,16

Дихлорэтан

С2Н4С12

99

1,49

2,164

6,54




I

2

3

4

5

6

Диэтиловый эфир

СаНюО

74

,360

2,840 |

3.38

Ксилол

Сг,Н|о

106

,355

2,830

1,96

Метанол

СН40

32

,300

2,843 J

12,30

Пентан

С5Н12

72

,340

2,797

2,56

Тоулол

С7НХ

92

L ,350

2,843

2,23

Циклогексан

С6Н,2

84

,340

2,797

2,28

Этанол

С2Н60

46

.340

2,804

6,54


Пример расчета

Взрыв этилено-воздушной смеси при разгерметизации техно­логического блока внутри производственного помещения.

Исходные данные: Vп=1296 м3; рст= 1,285 кг/м3; QCTX=3,01 МДж/кг; С=6,54 %.

Определить давление ударной волны на расстоянии 30 м от контура помещения при разрушении его ограждающих конструк­ций.

Расчет:




^ ВРЫВЫ ПЫЛЕВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ


При нарушении герметичности технологических аппаратов пыль выбрасывается в помещение, где вместе с накопившейся пылью смешивается с воздухом, образуя пылевоздушную смесь (ПВС), способную гореть. Искровой разряд приводит к взрывно­му горению смеси.

В отличие от газовых смесей образование взрывоопасного об­лака пыли в помещении может происходить в процессе самого горения. Взрыву в большинстве случаев предшествуют локаль­ные микровзрывы (хлопки) в оборудовании, резервуарах и вос­пламенения в отдельных участках здания, что вызывает встря­хивание пыли, осевшей на полу, стенах и других строительных конструкциях и оборудовании. Это приводит к образованию взрывоопасных концентраций пыли во всем объеме помещения, взрыв которой вызывает сильные разрушения.

Взрывное горение может происходить по одному из двух ре­жимов - дефлаграционному или детонационному.

При оперативном прогнозировании последствий принимают, что процесс развивается в детонационном режиме.

Зону детонационной волны, ограниченную радиусом г0, мож­но определить по формуле (2.71), в которой энергия взрыва опре­деляется из выражения:

(2.75)

где: Q - удельная теплота сгорания вещества, образовавшего пыль, кДж/кг (табл.2.20);

m - расчетная масса пыли, кг.

При оперативном прогнозировании расчетная масса пыли оп­ределяется из условия, что свободный объем помещения будет полностью заполнен взвешенным дисперсным продуктом, обра­зуя при этом пылевоздушную смесь стехиометрической концен­трации:

(2.76)

где: V0 - свободный объем помещения, (V0 =0,8 Vп), м3; С - стехиометрическая концентрация пыли, г / м3,

(2.77)

где: нкпр - нижний концентрационный предел распростране­ния пламени - это минимальное содержание пыли в смеси с воз­духом, при котором возможно возгорание.


Значение нкпр для различных веществ находится в пределах:
неорганических веществ (сера, фосфор) нкпр = 2 - 30 г/м3
пластмасс нкпр - 20 - 100 г/м3

пестицидов и красителей нкпр - 30 - 300 г/м3

шерсти нкпр = 100 - 200 г/м3.

Значения характеристик некоторых аэрозолей приведены в табл. 2.20.


^ Таблица 2,20

Показатели взрывных явлений пыли


Вещество

нкпр, Г/М3

Q , МДж/кг

Полистирол

27,5

39,8

Полиэтилен

45,0

47,1

Метилцелл юлоза

30,0

И,8

Полиоксадиазол

18,0

18,0

Пигмент зеленый (краситель)

45,0

42,9

Пигмент бордо на полиэтилене

39,0

42,9

Нафталин

2,5

39,9

Фталиевый ангидрид

12,6

21,0

Уротропин

15,0

28,1

Адипиновая кислота

35,0

19,7

Сера

2,3

8,2

Алюминий

58,0

30,13


Давление во фронте воздушной ударной волны определяется с использованием данных табл. 2.18.

Пример расчета.

В цехе по переработке полиэтилена при разгерметизации тех­нологического блока возможно поступление пыли в помещение и ее взрыв.

Исходные данные: Vn=4800 м3; нкпр =45 г/м3; Q=47,l МДж/кг.

Определить давление ударной волны на расстоянии 30 м от контура помещения при разрушении его ограждающих конструк­ций,

Расчет: