Реферат: Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (рд 03-409-01)
МЕТОДИКА
ОЦЕНКИ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙНЫХ ВЗРЫВОВ
ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
(РД 03-409-01)
Топливно-воздушная смесь (ТВС) представляет собой смесь горючих газов или паров с воздухом с концентрацией горючего, превышающей нижний концентрационный предел воспламенения. Такие смеси могут образоваться при аварийной разгерметизации оборудования, в котором обращаются горючие газы, пары, перегретые горючие жидкости, а также при испарении пролива горючих жидкостей, имеющих температуру вспышки выше температуры окружающей среды (только в этом случае возможно образование над поверхностью пролива ТВС).
Методика [1] не предназначена для расчета параметров взрыва облака ТВС в закрытом пространстве (помещении).
Решаются две задачи: первая – расчет параметров взрыва ТВС на определенном расстоянии от эпицентра аварии с оценкой вероятности повреждений промышленных зданий и поражения людей, находящихся на этом расстоянии; вторая – оценка радиусов зон различной степени поражения ударной волной людей и повреждений промышленных зданий в соответствии с табл.1 (ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» [2]).
Таблица 1 - Предельно допустимое избыточное давление при сгорании газо- паро- или пылевоздушных смесей в помещении или на открытом пространстве
^ Степень поражения
Избыточное давление, кПа
Полное разрушение зданий, смертельное поражение персонала
50%-ное разрушение зданий
Средние повреждения зданий
Умеренные повреждения зданий (повреждение внутренних перегородок, рам, дверей и т. п.)
Нижний порог повреждения человека волной давления
Малые повреждения (разбита часть остекления)
100
53
28
12
5
2
^ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВА ТВС
Определение эффективного энергозапаса ТВС
Эффективный энергозапас горючей смеси определяется по соотношению
Е = Мг·qг при Сг ≤ Сст (1)
или
Е = Мг·qг·Сст/ Сг при Сг > Сст , (2)
где Мг – масса горючего вещества, содержащегося в облаке ТВС, кг (определяется исходя из условий развития аварии в соответствии с НПБ 105-03 [3], ПБ 09-540-03 [4]);
qг – теплота сгорания горючего газа, МДж/кг;
Сг – концентрация горючего вещества в облаке ТВС, кг/м3;
Сст – стехиометрическая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, кг/м3.
При расчете параметров взрыва облака, лежащего на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается.
Стехиометрическая концентрация горючего вещества в ТВС определяется из справочных данных или рассчитывается отдельно. Если определение концентрации горючего вещества в смеси затруднено, в качестве величины Сгпринимается концентрация, соответствующая НКПВ горючего газа.
Стехиометрическая концентрация может быть определена по формуле
, (% об.) (3)
где - стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания;
- число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего.
Перевод величины Сст из % об. в кг/м3 осуществляется по формуле
, (4)
где ρt – плотность газа, кг/м3.
Для оценки объема облака ТВС можно использовать соотношение
V = Мг/Сст (5)
Теплота сгораниягорючего газа в ТВС берется из справочных данных или определяется по формуле
qг = 44·β , МДж/кг (6)
Корректировочный параметр β для наиболее распространенных опасных веществ определяется из таблицы 2 (экспертная таблица института химической физики - ИХФ РАН).
Таблица 2 - Классификация горючих веществ по степени чувствительности к инициированию взрывных процессов
Класс 1
Класс 2
Класс 3
Класс 4
Особо чувствиительные вещества
β
Чувствительные вещества
β
Среднечувствительные вещества
β
Слабочувствительные вещества
β
размер детонационной ячейки менее 2 см
размер детонационной ячейки от 2 до 10 см
размер детонационной ячейки от 10 до 40 см
размер детонационной ячейки более 40 см
ацетилен
1,1
акрилонитрил
0,67
ацетальдегид
0,56
аммиак
0,42
винилацетилен
1,03
акролеин
0,62
ацетон
0,65
бензол
0,88
водород
2,73
бутан
1,04
бензин
1
декан
1
гидразин
0,44
бутилен
1
винилацетат
0,51
дизтопливо
1
изопропилнитрат
0,41
бутадиен
1
винилхлорид
0,42
о- дихлорбензол
0,42
размер детонациионной ячейки менее 2 см
размер детонационной ячейки от 2 до 10 см
размер детонационной ячейки от 10 до 40 см
размер детонационной ячейки более 40 см
метилацетилен
1,05
1,3-пентадиен
1
гексан
1
додекан
1
нитрометан
0,25
пропан
1,05
генераторный газ
0,38
керосин
1
окись пропилена
0,7
пропилен
1,04
изооктан
1
метан
1,14
окись этилена
0,62
сероуглерод
0,32
метиламин
0,7
метилмеркаптан
0,53
этилнитрат
0,3
этан
1,08
метилацетат
0,53
метилхлорид
0,12
Этилен
1,07
метилбутилкетон
0,79
метилбензол
1
ШФЛУ
1
метилпропилкетон
0,76
нафталин
0,91
диметиловый эфир
0,66
метилэтилкетон
0,71
окись углерода
0,23
диэтиловый эфир
0,77
октан
1
фенол
0,92
дивиниловый эфир
0,77
пиридин
0,77
хлорбензол
0,52
диизопропиловый эфир
0,82
сероводород
0,34
этилбензол
0,90
метиловый спирт
0,52
дихлорэтан
0,25
Продолжение таблицы 2
Класс 1
Класс 2
Класс 3
Класс 4
Особо чувствиительные вещества
β
Чувствительные вещества
β
Среднечувствительные вещества
β
Слабочувствительные вещества
β
этиловый спирт
0,62
трихлорэтан
0,14
пропиловый спирт
0,69
амиловый спирт
-
изобутиловый спирт
0,79
изопропиловый спирт
0,69
циклогексан
1
этилформиат
0,46
этилхлорид
0,43
сжиженный пиродный газ
1
кумол
0,84
печной газ
0,09
циклопропан
1
этиламин
0,8
^ Определение ожидаемого режима взрывного превращения
Определение класса горючего вещества по степени чувствительности к инициированию взрывных процессов осуществляется с помощью табл.2.
При отсутствии вещества в табл.2, его следует классифицировать по аналогии с имеющимися в таблице веществами, а при отсутствии информации о свойствах данного вещества – относить его к классу 1, то есть рассматривать как наиболее опасный случай.
В связи с тем, что характер окружающего пространства в значительной степени определяет скорость взрывного превращения облака ТВС и, следовательно, параметры ударной волны, геометрические характеристики окружающего пространства разделены на виды в соответствии со степенью загроможденности.
Определение вида окружающей территории проводится по табл.3.
Таблица 3 - Классификация окружающей территории
Вид 1
Наличие длинных труб, полостей, каверн, заполненных горючей смесью, при сгорании которой возможно ожидать формирование турбулентных струй продуктов сгорания с размером не менее трех размеров детонационной ячейки данной смеси. Если размер детонационной ячейки неизвестен, то минимальный характерный размер турбулентных струй принимается равным 5 см для веществ класса 1, 20 см - для класса 2, 50 см - для класса 3, 150 см для веществ класса 4.
Вид 2
Сильно загроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов, высокая плотность размещения технологического оборудования, лес, большое количество повторяющихся препятствий
Вид 3
Средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк
Вид 4
Слабо загроможденное и свободное пространство
По классу горючего вещества и виду окружающего пространства с помощью табл.4 устанавливается режим взрывного превращения.
Известны два основных режима протекания взрывных процессов – детонация и дефлаграция. Дефлаграция – горение с высокой скоростью распространения фронта пламени (скорость распространения определяется теплопроводностью среды), которое сопровождается образованием и распространением ударной волны. Детонация – взрывное превращение вещества, при котором скорость распространения горения определяется скоростью распространения ударной волны.
Таблица 4 - Экспертная таблица для определения режима взрывного превращения
^ Класс
горючего
вещества
Вид окружающего пространства
1
2
3
4
^ Ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения
1
1
1
2
3
2
1
2
3
4
3
2
3
4
5
4
3
4
5
6
По режиму взрывного горения вещества определяется диапазон скоростей распространения фронта пламени (табл.5).
Таблица 5 - Классификация режимов взрывных превращений по диапазонам скоростей распространения фронта пламени
^ Класс режима горения
Режимы взрывных превращений облака ТВС
1
Детонация или горение со скоростью фронта пламени Vг >500 м/с
2
Дефлаграция, Vг =300-500 м/с
3
Дефлаграция, Vг =200-300 м/с
4
Дефлаграция, Vг =150-200 м/с
5
Дефлаграция, Vг=k·M1/6м/с, где М -масса топлива, т, k=43
6
Дефлаграция, Vг=k·M1/6м/с, где М -масса топлива, т, k=26
^ Оценка агрегатного состояния ТВС
Оценка агрегатного состояния ТВС: смесь гетерогенная, если более 50% топлива содержится в облаке в виде капель, в противном случае ТВС считается газовой.
^ Расчет параметров поражения при взрыве ТВС
Рассчитываются основные параметры воздушных ударных волн (избыточное давление ∆Р и импульс волны давления I в зависимости от расстояния до центра облака.
^ Детонация газовых и гетерогенных ТВС
Для вычисления параметров воздушной ударной волны на заданном расстоянии R от центра облака при его детонации предварительно рассчитывается соответствующее безразмерное расстояние по соотношению
Rx=R/(E/P0)1/3 (7)
Далее рассчитываются безразмерное давление Рx и безразмерный импульс фазы сжатия Iх.
В случае детонации облака газовой ТВС расчет проводится по формулам
ln(Рx)=-1,124 – 1.66 ln(Rx) + 0,26( ln(Rx))2 (8)
ln(Iх)=-3,4217 – 0,898 ln(Rx) – 0,0096 ( ln(Rx))2 (9)
Зависимости (8) и (9) справедливы для значений 0,2x<24. В случае Rx<0,2 принимается Рx=18, а в выражение (9) подставляется значение Rx=0,142.
В случае детонации облака гетерогенной ТВС расчет проводится по формулам
Рx=0,125/ Rx + 0,137/ Rx2 + 0,023/ Rx3 (10)
Iх=0,022/ Rx (11)
Зависимости (10) и (11) справедливы для значений 0,25x. В случае Rx<0,25 принимается Рx=18, а величина Iх =0,16.
Дефлаграция газовых и гетерогенных ТВС
В случае дефлаграционного взрывного превращения облака ТВС к параметрам, влияющим на величины избыточного давления и импульса положительной фазы воздушной ударной волны, добавляются скорость видимого фронта пламени (Vг) и степень расширения продуктов сгорания (σ). Для газовых смесей σ=7, для гетерогенных - σ=4.
Безразмерное давление Рx и безразмерный импульс фазы сжатия Iх определяются по соотношениям
Рx1=( Vг/C0)2((σ-1) /σ)(0,83/Rx – 0,14/ Rx2) (12)
Iх1=( Vг/C0) ((σ-1) /σ)(1-0,4(σ-1) Vг/σC0)(0,06/ Rx + 0,01/ Rx2- 0,0025/ Rx3) (13)
Зависимости (12) и (13) справедливы для значений 0,34x. В случае Rx<0,34 в эти соотношения подставляется величина Rx=0,34.
Затем вычисляются величины Рx2 и Iх2, которые соответствуют режиму детонации газовой смеси и рассчитываются по соотношениям (8), (9), а для детонации гетерогенной смеси – по соотношениям (10), (11). Окончательные значения Рx и Iх выбираются из условий
Рx=min(Рx1, Рx2); Iх=min(Iх1, Iх2) (14)
После определения безразмерных величин давления и импульса фазы сжатия вычисляются соответствующие им размерные величины
∆Р= Рx·Р0; I= Iх·( Р0)2/3Е1/3/С0 (15)
Определение дополнительных характеристик взрыва облака ТВС
при его детонации
Характерный профиль ударной волны при взрыве ТВС показан на рис.1.
Рис.1- Характерный профиль ударной волны.
^ Параметры падающей ударной волны
Параметры падающей ударной волны при детонации газовой смеси рассчитываются по следующим соотношениям при
λ=100·R/ Е1/3 (λ≤51,6). (16)
Амплитуда фазы сжатия
ln(∆Р+/Р0)=0,299 – 2,058· lnλ + 0,26·( lnλ)2 (17)
Амплитуда фазы разряжения
ln(∆Р-/Р0)=- 1,46 – 1,402· lnλ + 0,079·( lnλ)2 (18)
Длительность фазы сжатия
ln(105·τ+/Е1/3)=0,106 + 0,448· lnλ – 0,026·( lnλ)2 (19)
Длительность фазы разряжения
ln(105·τ-/Е1/3)=1,299 + 0,412· lnλ – 0,079·( lnλ)2 (20)
Импульс фазы сжатия
ln(105·I+/Е1/3)=-0,843 + 0,932· lnλ – 0,037·( lnλ)2 (21)
Импульс фазы разряжения
ln(105·I-/Е1/3)=-0,873 + 1,25· lnλ – 0,132·( lnλ)2 (22)
Форма падающей волны с описанием фаз сжатия и разрежения в наиболее опасном случае детонации газовой смеси описывается соотношением
∆Р(t,λ)= ∆Р+·(sin(π·(t- τ+)/ τ-)/sin(-π· τ+/ τ-))·exp(-Ki·t/ τ+) (23)
Декремент затухания в падающей волне рассчитывается по формуле
Ki=0,889 – 0,356· lnλ + 0,105·( lnλ)2 (24)
Параметры отраженной ударной волны
Для расчета параметров отраженной волны при ее нормальном падении на преграду используются следующие соотношения.
Амплитуда отраженной волны давления
ln(∆Рr+/Р0)=1,264 – 2,056· lnλ + 0,211·( lnλ)2 (25)
Амплитуда отраженной волны разряжения
ln(∆Рr-/Р0)=- 0,673 – 1,043· lnλ + 0,25·( lnλ)2 (26)
Длительность отраженной волны давления
ln(105·τr+/Е1/3)=-0,109 + 0,983· lnλ – 0,23·( lnλ)2 (27)
Длительность отраженной волны разряжения
ln(105·τr-/Е1/3)=1,265 + 0,857· lnλ – 0,192·( lnλ)2 (28)
Импульс отраженной волны давления
ln(105·Ir+/Е1/3)=-0,07 – 1,033· lnλ + 0,045·( lnλ)2 (29)
Импульс отраженной волны разряжения
ln(105·Ir-/Е1/3)=-0,052 - 0,462· lnλ – 0,27·( lnλ)2 (30)
Общее время действия отраженных волн на мишень
ln(105·(τr+ + τr-) /Е1/3)=14979 + 0,908· lnλ – 0,404·( lnλ)2 (31)
Форма отраженной волны с описанием фаз сжатия и разрежения описывается соотношением
∆Рr(t,λ)= ∆Рr+ ·(sin(π·(t- τr+)/ τr-)/sin(-π· τr+/ τr-))·exp(-Kr·t/ τr+) (32)
Декремент затухания в отраженной волне рассчитывается по формуле
Kr=0,978 – 0,554· lnλ + 0,26·( lnλ)2 (33)
ОЦЕНКА ПОРАЖАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ
При взрывах ТВС существенную роль играют такие поражающие факторы, как длительность действия ударной волны, и связанный с ней параметр импульс взрыва. Реальное деление плоскости факторов поражения на диаграмме импульс – давление на две части (внутри – область разрушения, вне – область устойчивости) не имеет четкой границы. Вероятность поражения нарастает от 0 до 100% при приближении параметров волны к границе опасной зоны. Эта типичная особенность диаграмм поражения (рис.2) может быть отражена представлением вероятности достижения того или иного уровня ущерба с помощью пробит – функции - Рri.
I, кПас
6
4
2
1 2 3
1
0,6
0,4
0,2
0,1
2 4 6 10 20 40 102 2·102 3·102
P, кПа
Рис.2. Р- I диаграмма для оценки уровня разрушения промышленных зданий:
1 – граница минимальных разрушений; 2 – граница значительных повреждений; 3 - разрушение зданий (50÷79% стен разрушено).
Оценка поражающего действия ударной волны на различные объекты может быть проведена по данным табл.6 [5].
Оценка радиусов зон различной степени поражения ударной волной людей и повреждений промышленных зданий в соответствии с табл.1 осуществляется путем определения расстояния от эпицентра аварии (центра облака ТВС), на котором избыточное давление ударной волны соответствует определенному уровню поражения.
Необходимо отметить, что достаточно часто в связи с небольшим энергетическим потенциалом ТВС избыточное давление ударной волны невелико. В этих случаях за величину зоны смертельного поражения человека можно принимать радиус облака ТВС, который можно определить по величине объема облака ТВС – уравнение (5).
^ Оценка вероятности повреждений промышленных зданий
от взрыва облака ТВС
Вероятность повреждений стен промышленных зданий, при которых возможно восстановление зданий без их сноса оценивается по соотношению
(26)
Фактор V1 рассчитывается с учетом перепада давления в волне и импульса статического давления по формуле
(27)
В табл.6 представлены возможные результаты воздействия УВВ на различные объекты.
Таблица 6 - Оценка поражающего действия УВВ на объекты по давлению
Объект
Давление, кПа,
соответствующее степени разрушения
полное
сильное
среднее
слабое
^ Жилые и промышленные здания
Кирпичные многоэтажные
Кирпичные малоэтажные
Деревянные
Промышленные здания
с тяжелым металлическим и железобетонным каркасом
Промышленные здания бескаркасной конструкции и легким металлическим каркасом
30 – 40
35 - 45
20 – 30
60 – 100
60 - 80
20 – 30
25 – 35
12 - 20
50 – 60
40 - 50
10 – 20
15 – 25
8 - 12
40 – 50
30 - 40
8 – 10
8 – 15
6 - 8
20 – 40
20 - 30
^ Сооружения и сети коммунального хозяйства, энергетики, связи
Тепловые электростанции
Котельные
Подземные сети (водопровод, канализация, газ)
Трубопроводы наземные
Трубопроводы на эстакадах
25 – 40
35 - 45
1500
130
40 – 50
20 – 25
25 – 35
1000 - 1500
50
30 – 40
15 – 20
15 – 25
600 - 1000
20
20 – 30
10 – 15
10 – 15
400 - 600
-
-
Продолжение таблицы 6
Объект
Давление, кПа,
соответствующее степени разрушения
полное
сильное
среднее
слабое
Смотровые колодцы
Трансформаторные подстанции
Водонапорные башни
Высоковольтные линии электропередач
1500
100
70
120 - 200
1000
40 – 60
40 – 60
80 - 120
300
20 – 40
20 – 40
50 - 70
200
10 – 20
10 – 20
20 - 40
^ Сооружения транспорта
Металлические и ж/б мосты пролетом до 50 м
Ж/д пути
Силовые линии электрофицированных ж/д
250 – 300
400
120
200 – 250
250
100
150 - 200
175
60
100 – 150
125
40
^ Транспорт, подвижная техника, хранилища
Тепловозы с массой до 50 т
Вагоны товарные деревянные
Цистерны
Цельнометаллические вагоны
Пожарные машины
Резервуары и емкости стальные наземные
Газгольдеры и хранилища ГСМ и химических веществ
Частично заглубленные резервуары для хранения нефтепродуктов
Подземные резервуары
90
40
80
150
70
90
40
100
200
70
35
70
90
50
80
35
75
150
50
30
50
60
35
55
25
40
75
40
15
30
35
10
35
20
20
40
Вероятность разрушений промышленных зданий, при которых здания подлежат сносу, оценивается по соотношению
(28)
В этом случае фактор V2 рассчитывается по формуле
(29)
^ Оценка вероятности поражения людей при взрыве облака ТВС
Вероятность длительной потери управляемости у людей (состояние нокдауна), попавших в зону действия ударной волны при взрыве облака ТВС, оценивается по формуле
(30)
Фактор V3 рассчитывается по формуле
(31)
Безразмерное давление и безразмерный импульс задаются выражениями:
и , (32)
где m – масса тела живого организма, кг.
На рис.3 представлена Р- I диаграмма, соответствующая различным значениям вероятности поражения людей, попавших в зону действия взрыва ,%.
Вероятность разрыва барабанных перепонок у людей от уровня перепада давления в воздушной волне определяется по формуле
(33)
Экспресс-оценку указанного поражения человека можно осуществить с помощью рис.4 [5].
10299
90 ,%
50
10 1
101
Опасная зона
Нижний предел
100
Условно безопасная зона
10-1 100 101 102 103
^ Рис.3 - Р- I диаграмма для экспресс-оценки поражения людей от взрыва ТВС (поражение органов дыхания человека).
,% 98
95
90
80
70
50
30
10
5
1
2 4 6 105 2 4 6
,Па
Рис.4 - Вероятность разрыва барабанной перепонки человека.
Вероятность отброса людей волной давления оценивается по формуле
(34)
Здесь фактор V5 рассчитывается из соотношения
(35)
Связь функции Рri с вероятностью той или иной степени поражения находится по табл.7.
Таблица 7 - Связь вероятности поражения с функцией «пробит»
Р,%
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
2,67
2,95
3,12
3,25
3,38
3,45
3,52
3,59
3,66
10
3,72
3,77
3,82
3,86
3,92
3,96
4,01
4,05
4,08
4,12
20
4,16
4,19
4,23
4,26
4,29
4.33
4,36
4,39
4,42
4,45
30
4,48
4,50
4,53
4,56
4,59
4,61
4,64
4.67
4,69
4,72
40
4,75
4,77
4,80
4,82
4,85
4,87
4,90
4,92
4,95
4,97
50
5,00
5,03
5,05
5,08
5,10
5,13
5,15
5,18
5,20
5,23
60
5,25
5,28
5,31
5,33
5,36
5,39
5,41
5,44
5,47
5,50
70
5,52
5,55
5,58
5,61
5,64
5,67
5,71
5,74
5,77
5,81
80
5,84
5,88
5,92
5,95
5,99
6,04
6,08
6,13
6,18
6,23
90
6,28
6,34
6,41
6,48
6,55
6,64
6,75
6,88
7,05
7,33
99
7,33
7,37
7,41
7,46
7,51
7,58
7,65
7,75
7,88
8.09
^ ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1
Исходные данные. В результате аварии на автодороге, проходящей по открытой местности, в безветренную погоду произошел взрыв автоцистерны, содержащей 8 т сжиженного пропана. Для оценки максимально возможных последствий принято, что в результате выброса газа в пределах воспламенения оказалось практически все топливо, перевозившееся в цистерне. Средняя концентрация пропана в образовавшемся облаке составила около 140 г/м3. Расчетный объем облака составил 57000 м3. Воспламенение облака привело к возникновению взрывного его превращения. Требуется определить параметры воздушной ударной волны на расстоянии 100 м от места аварии, а также величины зон поражения ударной волной человека, зданий и сооружений в соответствии с табл.1.
Решение. Формируются предварительные данные для дальнейших расчетов:
тип топлива – пропан;
агрегатное состояние смеси – газовая;
концентрация горючего в смеси Сг = 0,14 кг/м3;
стехиометрическая концентрация пропана в смеси с воздухом Сст = 0,077 кг/м3;
масса топлива, содержащегося в облаке, Мг = 8000 кг;
удельная теплота сгорания топлива qг = 4,64·107 Дж/кг;
окружающее пространство – открытое (вид 4);
облако лежит на земле.
Определяется эффективный энергозапас ТВС Е. Так как Сг > Сст, следовательно,
Е =2∙ Мг·qг·Сст/ Сг = 2·8000·4,64·107·0,077/0,14 = 4,1·1011 Дж.
Исходя из классификации веществ, определяется (табл.2), что пропан относится к классу 2 опасности. Геометрические характеристики окружающего пространства (табл.3) относятся к виду 4 (открытое пространство). По экспертной табл.4 определяется ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения режим взрывного превращения облака ТВС – 4, потабл.5 определяется диапазон скоростей распространения фронта пламени - дефлаграция с диапазоном видимой скорости фронта пламени от 150 до 200 м/с. Для проверки рассчитывается скорость фронта пламени по соотношению
Vг=k·M1/6 = 43 ·80001/6 = 192 м/с.
Полученная величина меньше максимальной скорости диапазона данного взрывного превращения, в дальнейших расчетах принимается Vг = 200 м/с.
Для заданного расстояния R = 100 м рассчитывается безразмерное расстояние Rx:
Rx=R/(E/P0)1/3 = 100/(4,1·1011/101324)1/3 = 0,63
Рассчитываются параметры взрыва при скорости горения 200 м/с. Определяются величины Рx1 и Iх1по соотношениям (12), (13):
Рx1=( Vг/C0)2((σ-1) /σ)(0,83/Rx – 0,14/ Rx2) = 2002/3402 ·6/7 ·(0,83/0,63-0,14/0,632) = 0,29.
Iх1=( Vг/C0) ((σ-1) /σ)(1-0,4(σ-1) Vг/σC0)(0,06/ Rx + 0,01/ Rx2- 0,0025/ Rx3) = (200/340) · ·((7-1)/7) ·(1-0,4 ·(200/340) ·((7-1)/7)) ·(0,06/0,63+0,01/0,632 -0,0025/0,633) = 0,0427
Так как ТВС – газовая, величины Рx2 и Iх2 рассчитываются по соотношениям (8), (9):
Рx2=exp(-1,124 – 1.66 ln(0,63) + 0,26( ln(0,63))2) = 0.74
Iх2=exp(-3,4217 – 0,898 ln(0,63) – 0,0096 ( ln(0,63))2) = 0.049
Согласно (14) определяются окончательные значения Рx и Iх :
Рx=min(Рx1, Рx2) = min(0,29, 0,74) = 0,29
Iх=min(Iх1, Iх2) = min(0,0427, 0,049) = 0,0427
По формулам (15) определяются искомые величины избыточного давления и импульса фазы сжатия в воздушной ударной волне:
∆Р= Рx·Р0 = 2,9·104 Па;
I= Iх·( Р0)2/3Е1/3/С0 = 2,04·104 Па ·с.
Используя полученные значения ∆Р и I, по формулам (26-35) находятся:
Рr1 = 6,06; Рr2 = 4,47; Рr3 = -1,93; Рr4 = 3,06; Рr5 = 2,78
Согласно табл.7 это означает: 86% вероятность повреждений и 30% вероятность разрушений промышленных зданий, а также 2,5% вероятность разрыва барабанных перепонок у людей и 1% вероятность отброса людей волной давления. Вероятность остальных критериев поражения близки к нулю.
Максимальное избыточное давление ударной волны – 36 кПа, поэтому радиус зоны смертельного поражения человека составляет 24 м (радиус облака ТВС). Радиус зоны средних повреждений зданий – 104 м, зоны умеренных повреждений зданий – 295 м, нижнего порога повреждения человека волной давления – 682 м, зоны малых повреждений – 1300 м.
Пример 2.
Исходные данные. В результате внезапного раскрытия обратного клапана в пространство, загроможденное подводящими трубопроводами, выброшено 100 кг этилена. Рядом с загазованным объектом на расстоянии 150 м находится помещение цеха. Концентрация этилена в облаке 80 г/м3. Требуется определить степень поражения здания цеха и расположенного в нем персонала при взрыве облака ТВС, а также величины зон поражения ударной волной человека, зданий и сооружений в соответствии с табл.1.
Решение. Формируются предварительные данные для дальнейших расчетов:
тип топлива – этилен;
агрегатное состояние смеси – газовая;
концентрация горючего в смеси Сг = 0,08 кг/м3;
стехиометрическая концентрация этилена в смеси с воздухом Сст = 0,09 кг/м3;
масса топлива, содержащегося в облаке, Мг = 100 кг;
удельная теплота сгорания топлива qг = 4,6·107 Дж/кг;
окружающее пространство – загроможденное;
облако лежит на земле.
Определяется эффективный энергозапас ТВС Е. Так как Сг < Сст, следовательно,
Е = 2∙Мг·qг= 2·100·4,6·107 = 9,2·109 Дж.
Исходя из классификации веществ, определяется (табл.2), что этилен относится к классу 2 опасности. Геометрические характеристики окружающего пространства (табл.3) относятся к виду 1 (загроможденное пространство). По экспертной табл.4 определяется ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения режим взрывного превращения облака ТВС – 1, по табл.5 определяется диапазон скоростей распространения фронта пламени - детонация.
Для заданного расстояния ^ R = 150 м рассчитывается безразмерное параметрическое расстояние λ (16):
λ=100·R/ Е1/3= 100 ·150/(9,2·109)1/3 = 0,63
По соотношениям для падающей волны (17)÷(22) находятся:
амплитуда фазы давления
∆Р+/Р0= 0,064 или ∆Р+ = 6,5·103 Па при Р0 = 101325 Па;
амплитуда фазы разрежения
∆Р-/Р0= 0,02 или ∆Р- = 2·103 Па при Р0 = 101325 Па;
длительность фазы сжатия
τ+ = 0,0509 с;
длительность фазы разрежения
τ- = 0,127 с;
импульсы фазы сжатия
I+ = 125 Па·с.
импульсы фазы разрежения
I- = 45 Па·с.
Форма падающей волны с описанием фаз сжатия и разрежения в наиболее опасном случае детонации газовой смеси описывается соотношением (23)
∆Р(t)= 6,5·103·(sin(π·(t- 0,0509)/ 0,127)/sin(-π·0,0509/0,127))·exp(-0,6·t/0,0509)
Используя полученные значения ∆Р+ и I+ определяются
Рr1 = 2,69; Рr2 = 1,69; Рr3 = -11,67; Рr4 = 0,76; Рr5 = -13,21
Согласно табл.7 это означает: 1% вероятность разрушений промышленных зданий. Вероятность остальных критериев поражения близки к нулю.
По соотношениям для отраженной волны (25)÷(31) находятся:
амплитуда отраженной волны давления
∆Рr+/Р0= 0,14 или ∆Рr+ = 1,4·104 Па при Р0 = 101325 Па;
амплитуда отраженной волны разрежения
∆Рr-/Р0= 0,174 или ∆Рr- = 1.74·104 Па при Р0 = 101325 Па;
длительность отраженной волны давления
τr+ = 0,0534 с;
длительность волны разрежения
τr- = 0,1906 с;
импульсы отраженных волн давления и разрежения
Ir+ = 308 Па·с;
Ir- = 284,7 Па·с.
Форма отраженной волны при взаимодействии со стенкой описывается соотношением (32)
∆Рr(t)= 1,4·104·(sin(π·(t- 0,0534)/ 0,1906)/sin(-π·0,0534/0,1906))·exp(-0,8906·t/0,0534)
Используя полученные значения ∆Р+ и I+ определяются
Рr1 = 4,49; Рr2 = 3,28; Рr3 = -7,96; Рr4 = 1,95; Рr5 = -9,35
Согласно табл.7 это означает: 30% вероятность повреждений и 4% вероятность разрушений промышленных зданий. Вероятность остальных критериев поражения близки к нулю.
Радиус зоны полного разрушения зданий и смертельного поражения человека составляет 24 м. Радиус зоны 50%-х повреждений зданий – 34 м, средних повреждений зданий – 50 м, зоны умеренных повреждений зданий – 88 м, нижнего порога повреждения человека волной давления – 195 м, зоны малых повреждений – 400 м.
^ Список использованной литературы
РД 03-409-01 «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей» (с изменениями и дополнениями) в сб. «Моделирование аварийных ситуаций на опасных производственных объектах. Программный комплекс ТОКСИ+ (версия 3.0): Сборник документов. Серия 27. Выпуск 5 / Колл.авт. – М.: ОАО «НТЦ по безопасности в промышленности», 2006 г. – 205 с.
ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля».
НПБ 105-03. «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности». – ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003г.
ПБ 09-540-03 «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств». Серия 09. Выпуск 11 / Колл.авт. – М.: ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003 г. – 112 с.
Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Учебное пособие. Книга 2. В.А. Котляревский и др. – М.: Изд. АСВ, 1996. – 384с.
.