Пример №1
Взрыв шарового газгольдера сжатого воздуха объемом V = 600 м3 произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Взрыв произошел при давлении Р = 2,3 МПа. Плотность газа при нормальном давлении с = 1,22 кг/м3, показатель адиабаты г = 1,4. Оценить последствия взрыва сжатого воздуха в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 50 м.
Определяется перепад давлений, преобразовав формулу (3):
ДР = 2,3 - 0,1 = 2,2 МПа
Рассчитывается плотность газа по уравнению (5):
с = 1,22 · (2,3/0,1)1/1,4 = 11,46 кг/м3
Полная масса газа:
С = 11,46 · 600 = 6873 кг
Q = 2,2 / = 0,48 МДж/кг
Тротиловый эквивалент взрыва составит:
qтнт = 0,48 · 6873 / 4,24 = 778 кг
Эквивалент по ударной волне:
qу.в. = 0,6 · 778 = 467 кг
q = 2 · 467 = 934 кг
Результаты расчета приведены ниже (таблица 4).
Таблица 4 - Радиусы зон воздействия УВВ
|
ДРфр, кПа |
||||||
Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 50 м:
50/(9341/3) = 5,12
ДРфр = 0,084/5,12 + 0,27/5,122 + 0,7/5,123 = 31,9 кПа.
I = 0,4 · 9342/3/50 = 0,76 кПа·с
Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 50 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):
V = (17500/(31,9·103))8,4 + (290/(0,79·103))9,3 = 0,0065
Pr = 5 - 0,26 · ln(0,0065) = 6,31
С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 50 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 91%.
Пример №2
Взрыв шарового газгольдера диоксида углерода объемом V = 500 м3 (радиус сферы 4,95 м) произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат изготовлен из стали 09Г2С толщиной стенки 16 мм и рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Временное сопротивление разрушения материала ув = 470 МПа. Плотность газа при нормальном давлении с = 1,98 кг/м3, показатель адиабаты г = 1,3. Оценить последствия взрыва сжатого диоксида углерода в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 120 м.
Разрушающее давление определяется по формуле (2):
ДP = 2 · 0,016 · 470/4,95 = 3 МПа
Определяется давление парогазовой смеси в емкости по формуле (3):
Р = 3 + 0,1 = 3,1 МПа
Рассчитывается плотность газа по уравнению (5) при давлении Р:
с = 1,98 · (3,1/0,1)1/1,3 = 28,05кг/м3
Полная масса газа:
С = 28,05 · 550 = 14026 кг
По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:
Q = 3 / = 0,36 МДж/кг
Тротиловый эквивалент взрыва газа составит:
qтнт = 0,36 · 14026 / 4,24 = 1194 кг
Эквивалент по ударной волне:
qу.в. = 0,6 · 1194 = 717 кг
Применительно к наземному взрыву принимается значение:
q = 2 · 717 = 1433 кг
Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.
Результаты расчета приведены ниже (таблица 5).
Таблица 5 - Радиусы зон воздействия УВВ
|
ДРфр, кПа |
||||||
Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 120 м:
120/(14333) = 10,64
ДРфр = 0,084/10,64 + 0,27/10,642 + 0,7/10,643 = 10,9 кПа.
I = 0,4 · 14332/3/120 = 0,42 кПа·с
Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 120 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):
V = (17500/(10,9*103))8,4 + (290/(0,42*103))9,3 = 0,029
Pr = 5 - 0,26 * ln(0,029) = 5,92
С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 120 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 82%.
При аварии в резервуарном парке количество газа q(t) или пара берётся: 30% от объёма наибольшего резервуара с бензином, 20% - с нефтью. При аварии на трубопроводе - до 20% вытекшей нефти и до 50% вышедшего газа. При аварии на автотранспорте - 4т бензина. При аварии на железной дороге - 10т бензина, 7т нефти. Величина дрейфа газа воздушного облака принимается равной 300 м в сторону предприятия.
При взрыве пара и газа воздушной смеси выделяют зону детонационной волны с радиусом R1 и зону ударной волны. Определяется также: радиус зоны смертельного поражения людей (R см); радиус безопасного удаления (R бу), где R ф=5 кПа; радиус предельно допустимой взрывобезопасной концентрации пара, газа Кпдвк.
Давление во фронте ударной волны Рф2 в зоне ударной волны определяют по таблице/19/
Избыточное давление в зоне детонационной волны определяется:
Радиус зоны смертельного поражения людей определяется по формуле:
где Q - количество газа, газа в тоннах;
R1 - радиус зоны детонационной волны;
R CM - радиус смертельного поражения людей.
Расчёт взрыва резервуара вертикального стального ёмкостью 5000 м3 с нефтью
Определяем количество газа, выделившегося при взрыве:
Количество нефти в тоннах:
5000?875 = 4375000 кг. = 4375 т.
Тогда количество газа:
0,2 ? 4375 = 875 т.
По формуле определяем радиус зоны детонационной волны:
R1=18,5 ?(875)1/3 = 173,00 м.
По формуле определяем радиус зоны смертельного поражения:
RCM=30 ? (875)1/3 = 280,53м.
Расстояние от центра взрыва до операторной r2= 200 м., то r2/R1=200/173 = 1,16, тогда избыточное давление от центра взрыва до операторной Рф1 = 279 кПа
В соответствии с для оценки риска чрезвычайной ситуации при разработке подраздела проектной документации выбираются только те техногенные чрезвычайные ситуации, зоны действия поражающих факторов которых выходят за границы проектной застройки объектов и (при наличии) примыкающей к ней санитарно-защитной зоны.Согласно определение (расчет) границ и характеристик зон воздействия поражающих факторов аварий, которые могут привести к техногенной чрезвычайной ситуации как на объектах, так и за их пределами, а также определение вероятности поражения в определенной точке селитебной территории в результате реализации сценария развития чрезвычайной ситуации должно производиться по методикам, утвержденным, согласованным или рекомендованным федеральными органами исполнительной власти. Рекомендованные методики для определения границ и характеристик зон воздействия поражающих факторов аварии приведены в приложении Т (таблица 3).
На основании для выявления пожароопасных ситуаций осуществляется деление технологического оборудования (технологических систем) при их наличии на объектах на участки. Указанное деление выполняется исходя из возможности раздельной герметизации этих участков при возникновении аварии. Рассматриваются пожароопасные ситуации как на основном, так и вспомогательном технологическом оборудовании. Кроме этого учитывается также возможность возникновения пожара в зданиях, сооружениях и строениях различного назначения, расположенных на территории объектов.
В перечне пожароопасных ситуаций применительно к каждому участку, технологической установке, зданиям объектов выделяются группы пожароопасных ситуаций, которым соответствуют одинаковые модели процессов возникновения и развития.
Определение массы, участвующей в аварии, проводится в соответствии с 3].
В приложениях к подразделу «ПМ ГОЧС» рекомендуется приводить копии документов, подтверждающих применение того или иного программного обеспечения, применяемого для расчетов границ и характеристик зон воздействия поражающих факторов аварий, в том числе:
- свидетельство о государственной регистрации программы для электронно-вычислительных машин с указанием номера и даты, а также органа, выдавшего свидетельство;
- реквизиты программы, приведенные на основании договора на право пользования программным обеспечением.
Результаты расчетов вероятных зон действия поражающих факторов аварий, которые могут привести к чрезвычайной ситуации техногенного как на объектах, так и за их пределами рекомендуется приводить в табличной форме с указанием следующих параметров:
- для пожара пролива:
- площадь пролива опасного вещества;
- удельная массовая скорость выгорания опасного вещества;
- уровни поражения тепловым излучением:
- без негативных последствий для человека в течение длительного времени (1,4 кВт/м 2);
- для огненного шара:
- время существования «огненного шара»;
- зона ожога третьей степени (320 кДж/м 2);
- зона ожога второй степени (220 кДж/м 2);
- зона ожога первой степени (120 кДж/м 2);
- для взрыва:
- радиус зоны действия поражающих факторов при полных разрушениях (избыточное давление – 100 кПа);
- радиус зоны действия поражающих факторов при сильных разрушениях (избыточное давление – 53 кПа);
- радиус зоны действия поражающих факторов при средних разрушениях (избыточное давление – 28 кПа);
- радиус зоны действия поражающих факторов при слабых разрушениях (избыточное давление – 12 кПа);
- нижний порог повреждений человека волной давления (избыточное давление – 5 кПа).
- для заражения АХОВ:
- тип АХОВ;
- масса АХОВ;
- полная глубина зоны химического заражения;
- площадь зоны возможного химического заражения.
Детерминированные критерии устанавливают значения поражающего фактора, при которых наблюдается тот или иной уровень поражения (разрушения).
Детерминированные критерии присваивают определенной величине негативного воздействия поражающего фактора конкретную степень поражения людей, разрушения зданий, инженерно-технических сооружений.
Детерминированные критерии поражения тепловым излучением
При оценке воздействия теплового излучения основным критерием поражения является интенсивность теплового излучения. Значения предельно допустимой интенсивности теплового излучения приведены в таблице 1. Для определения числа пострадавших рекомендуется принимать значение интенсивности теплового излучения, превышающее 7,0 кВт/м 2 .
Таблица 1 – Значения предельно допустимой интенсивности теплового излучения
| Степень поражения |
Интенсивность
|
| Без негативных последствий в течение длительного времени | 1,4 |
| Безопасно для человека в брезентовой одежде | 4,2 |
|
Непереносимая боль через 20–30 с Ожог первой степени через 15–20 с Ожог второй степени через 30–40 с Воспламенение хлопка-волокна через 15 мин |
7,0 |
|
Непереносимая боль через 3–5 с Ожог первой степени через 6–8 с Ожог второй степени через 12–16 с |
10,5 |
| Воспламенение древесины с шероховатой поверхностью (влажность 12 %) при длительности облучения 15 мин | 12,9 |
| Воспламенение древесины, окрашенной масляной краской по строганной поверхности; воспламенение фанеры | 17,0 |
Воздействие открытого пламени и тепловой радиации от пожара на технологическое оборудование, наружные установки оценивается по значению поглощенной дозы тепловой радиации:
- D пор – пороговое значение дозы поглощенной тепловой радиации, кВтс/м 2 , ниже которого оборудование получает только слабые повреждения (k повр = 0,1);
- D гиб – значение дозы поглощенной тепловой радиации, кВтс/м 2 , выше которого оборудование считается полностью разрушенным (k повр = 1,0).
Таблица
2 – Значения D
пор
и D
гиб
для оборудования разных классов чувствительности
к воздействию тепловой радиации
|
Класс
|
Тип оборудования |
D пор , кВт·с/м 2 |
D гиб , кВт·с/м 2 |
| I (высокочувствительное) | Расположенное вне укрытий сложное технологическое оборудование | 3300 | 10000 |
| II (среднечувствительное) |
Оборудование в блок-контейнерах или индивидуальных укрытиях. Незащищенные крановые узлы, средства электрохимической защиты, контрольные пункты телемеханики, опоры линий электропередачи и другое незащищенное технологическое оборудование с фланцевыми соединениями с чувствительными к нагреву материалами-уплотнителями |
8300 | 25000 |
| III (слабочувствительное) | Наземные трубопроводы, крановые узлы в защитном укрытии | 35000 | 45000 |
Для поражения человека тепловым излучением используется значение величины пробит-функции.
При использовании пробит-функции в качестве зон стопроцентного поражения принимаются зоны поражения, где значение пробит-функции достигает величины, соответствующей вероятности, равной 90 %. В качестве зон, безопасных с точки зрения воздействия поражающих факторов, принимаются зоны поражения, где значения пробит-функции достигают величины, соответствующей вероятности, равной 1 %.
Условная вероятность поражения человека, попавшего в зону непосредственного воздействия пламени пожара, пролива или факела, принимается равной 1.
Для пожара-вспышки следует принимать, что условная вероятность поражения человека, попавшего в зону воздействия высокотемпературными продуктами сгорания газопаровоздушного облака, равна 1. За пределами этой зоны условная вероятность поражения человека принимается равной 0.
При расчете вероятности поражения человека тепловым излучением рекомендуется учитывать возможность укрытия (например, в здании или за ним).
Детерминированные критерии поражения воздушной ударной волной.
Величина избыточного давления на фронте падающей воздушной ударной волны значением 5 кПа принимается безопасной для человека. Воздействие на человека воздушной ударной волны с избыточным давлением на фронте более 120 кПа рекомендуется принимать в качестве смертельного поражения. Для определения числа пострадавших рекомендуется принимать значение избыточного давления, превышающее 70 кПа.
Критерии разрушения типовых промышленных зданий от избыточного давления приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Критерии разрушения типовых промышленных зданий от избыточного давления
Степени разрушения различных административных, производственных зданий и сооружений от воздействия избыточного давления воздушной ударной волны приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Степени разрушения различных административных, производственных зданий и сооружений от воздействия избыточного давления воздушной ударной волны
| Тип зданий, сооружений |
Разрушение при избыточном давлении на фронте
|
|||
| Слабое | Среднее |
Сильное |
Полное |
|
| Промышленные здания с тяжелым металлическим или железобетонным каркасом | 20–30 | 30–40 | 40–50 | >50 |
| Промышленные здания с легким каркасом и бескаркасной конструкции | 10–20 | 25–35 | 35–45 | >45 |
| Складские кирпичные здания | 10–20 | 20–30 | 30–40 | >40 |
| Одноэтажные складские помещения с металлическим каркасом и стеновым заполнением из листового металла | 5–7 | 7–10 | 10–15 | >15 |
| Бетонные и железобетонные здания и антисейсмические конструкции | 25–35 | 80–120 | 150–200 | >200 |
| Здания железобетонные монолитные повышенной этажности | 25–45 | 45–105 | 105–170 | 170–215 |
| Котельные, регуляторные станции в кирпичных зданиях | 10–15 | 15–25 | 25–35 | 35–45 |
| Деревянные дома | 6–8 | 8–12 | 12–20 | >20 |
| Подземные сети, трубопроводы | 400–600 | 600–1000 | 1000–1500 | 1500 |
| Трубопроводы наземные | 20 | 50 | 130 | - |
| Кабельные подземные линии | до 800 | - | - | 1500 |
| Цистерны для перевозки нефтепродуктов | 30 | 50 | 70 | 80 |
| Резервуары и емкости стальные наземные | 35 | 55 | 80 | 90 |
| Подземные резервуары | 40 | 75 | 150 | 200 |
Условная вероятность травмирования и гибели людей, находящихся в зданиях, в зависимости от степени разрушения зданий от воздействия воздушной ударной волны определяется по таблице 5.
Таблица 5 – Условная вероятность травмирования и гибели людей, находящихся в зданиях, в зависимости от степени разрушения зданий от воздействия воздушной ударной волны
Для расчета условной вероятности разрушения объектов и поражения людей ударными волнами используют пробит-функции.
При использовании пробит-функций в качестве зон 100 %-ного поражения принимаются зоны поражения, где значение пробит-функции достигает величины, соответствующей вероятности в 90 %. В качестве зон, безопасных с точки зрения воздействия поражающих факторов, принимаются зоны поражения, где значения пробит-функции достигают величин, соответствующих вероятности в 1 %.
Критерии токсического поражения
Границы зон токсического поражения опасным веществом рассчитываются по смертельной и пороговой токсодозам при ингаляционном воздействии на организм человека либо по пробит-функциям.
Сравнением с пороговыми и смертельными токсодозами определяются расстояния, соответствующие смертельному поражению и пороговому воздействию.
Для оценки вероятности смертельного поражения человека используется пробит-функция.
При расчете воздействия токсических веществ на человека рекомендуется учитывать возможность укрытия, например в здании, а также применения средств индивидуальной защиты (противогазов).
Перечень нормативных документов
- Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах, утвержденная приказом МЧС России от 10.07.2009 № 404.
- Руководство по безопасности «Методические основы по проведению анализа опасностей и оценки риска аварий на опасных производственных объектах», утвержденное приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11.04.2016 № 144.
- Руководство по безопасности «Методика моделирования распространения аварийных выбросов опасных веществ», утвержденное приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 20.04.2015 № 158.
- ГОСТ Р 22.2.02−2015 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Менеджмент риска чрезвычайной ситуации. Оценка риска чрезвычайной ситуации при разработке проектной документации объектов капитального строительства».
- СП 165.1325800.2014 «СНиП 2.01.51-90.Инженерно-технические мероприятия по гражданской обороне».
- РД 52.04.253-90 «Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими и ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и на транспорте».
Общая характеристика задач оценки
Для принятия решений по защите от воздействия воздушной ударной волны (ВУВ) взрыва на здания, сооружения, технику или на людей, а также для выработки мер взрывобезопасности необходимы данные, характеризующие взрывы, которые могут происходить во время военных действий, в производственной сфере и в быту. Наиболее достоверные сведения о взрыве можно получить путем проведения эксперимента. Однако, такой подход не всегда применим. Поэтому наиболее распространены расчетные методы, позволяющие определять значения параметров, характеризующих взрывы. В ходе расчетов используются следующие показатели:
Для проведения расчетов разработано и представлено в технической литературе значительное количество функциональных зависимостей, которые связывают между собой эти показатели. Конкретный вид расчетных соотношений, выражающих эти функциональные зависимости, определяется условиями взрыва, к которым относятся: тип ВВ (конденсированное ВВ, газовоздушные смеси, пылевоздушные смеси и др.), место взрыва (воздушный, наземный или заглубленный взрыв), наличие преград, отражающих ударную волну и другие условия.
Разные авторы предлагают разные виды функциональных зависимостей для определения одних и тех же показателей, позволяющие получить либо большую точность, либо простоту, либо какие-нибудь другие преимущества при проведении расчетов. Поэтому при выборе того или иного соотношения для проведения расчетов следует особое внимание обращать на систему ограничений, определяющих возможность его использования.
Вся совокупность задач по проведению расчетов может быть разделена на две группы: задачи прогнозирования последствий взрыва по заданному количеству ВВ и задачи определения количества ВВ по заданным последствиям взрыва.
Задачи прогнозирования соответствуют ситуации, когда взрыва еще не было, т.е. требуется рассчитать показатели, характеризующие будущий взрыв. В таких задачах в качестве исходных данных обычно используются сведения о количестве ВВ и об условиях взрыва. При этом в результате расчетов должны быть получены значения параметров ударной волны (или других поражающих факторов) на заданном расстоянии от места взрыва (прямая задача), или определено расстояние от места взрыва, на котором параметры ударной волны будут иметь заданное значение (обратная задача).
Задачи определения исходных характеристик ВВ по результатам взрыва обычно приходится решать при расследовании и анализе причин аварийных взрывов. В этих задачах известны условия взрыва, место взрыва и степень разрушений по мере удаления от его эпицентра. В результате решения должно быть определено количество взорвавшегося вещества. Для расчетов в этих задачах используются те же функциональные зависимости между степенью повреждения, количеством ВВ и расстоянием от места взрыва, что и при решении задач прогнозирования.
Настоящий курс лекций не предусматривает подробного рассмотрения всего многообразия вариантов проведения расчетов для различных условий взрыва и поражающих факторов. Далее будут рассматриваться только приближенные методы проведения расчетов, связанные с наиболее распространенными типами взрывов конденсированных ВВ и ГВС в открытом, не замкнутом пространстве. Из числа поражающих факторов взрыва будет рассматриваться только воздушная ударная волна.
Расчетные соотношения, используемые при решении задач.
Тротиловый эквивалент массы ВВ.
Количество взрывчатого вещества или его массу М BB при проведении расчетов выражают через тротиловый эквивалент М Т. Тротиловый эквивалент представляет собой массу тротила, при взрыве которой выделяется столько же энергии, сколько выделится при взрыве заданного количества конкретного ВВ. Значение тротилового эквивалента определяется по соотношению:
(1)
\[М_{Т}=kM_{ВВ}\]где:
M BB — масса взрывчатого вещества;
k — коэффициент приведения взрывчатого вещества к тротилу1 (см. Таблицу 1).
Таблица 1. Значения коэффициента k приведения взрывчатого вещества к тротилу
Выражение (1) составлено для взрыва, при котором ударная волна распространяется во все стороны от точки взрыва беспрепятственно, т.е. в виде сферы. Очень часто на практике взрыв происходит на некоторой поверхности, например, на земле. При этом ударная волна распространяется в воздухе в виде полусферы.
Для взрывов на абсолютно твердой поверхности вся выделившаяся при взрыве энергия распространяется 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 ƞ, значения которого приведены в Таблице 2. Чем меньше подстилающая поверхность позволяет затрачивать энергию на образование воронки, тем ближе значение коэффициента ƞ к 1. Другой предельный случай соответствует ситуации, когда подстилающая поверхность беспрепятственно пропускает энергию взрыва, например, при взрыве в воздухе. В этом случае значение коэффициента равно 0.5.
С учетом изложенного значение MT в общем случае определяется по формуле:
(2)
\[М_{Т}=2ƞkM_{ВВ}\]Выражение (2) для взрыва в воздухе, то есть при ƞ = 0.5, принимает вид (1).
Таблица 2. Значения коэффициента ƞ, учитывающего характер подстилающей поверхности
Закон подобия при взрывах
Расчеты параметров ударной волны основываются на использовании соотношения, связывающего параметры взрывов разной мощности. Таким соотношением является закон подобия кубического корня . Согласно этому закону значения параметров ударной волны для взрыва некоторой мощности можно пересчитать для взрывов других мощностей, пользуясь выражениями закона подобия:
(3)
\ \[τ_{2}=τ_{1}\sqrt{\frac{M_{T2}}{M_{T1}}}\]где: R 2 ,R 1 — расстояния от центров двух взрывов до некоторых точек 1 и 2, в которых параметры ударной волны этих взрывов равны между собой;
M T2 , M T1 — массы зарядов (точнее: эквиваленты масс, приведенные к некоторому эталону, в нашем случае к тротилу);
τ 2 , τ 1 — время с момента взрыва до прихода ударной волны в эти точки.
Выражение (3) можно представить в виде:
(4)
\[\frac{R_{2}}{\sqrt{{M_{T2}}}}=\frac{R_{1}}{\sqrt{{M_{T1}}}}=\frac{R}{\sqrt{{M_{T}}}}=\overline{R}\]Величина R называется приведенным радиусом взрыва и широко используется в различных расчетных соотношениях для определения параметров ударной волны взрыва.
Оценка параметров ударной волны при взрыве конденсированных ВВ
Избыточное давление ΔP для свободно распространяющейся сферической воздушной ударной волны убывает по мере удаления от места взрыва. Поэтому расчет его значений обычно проводится на основании соотношений, в которых давление является функцией двух аргументов — массы ВВ и расстояния от места взрыва.
Сложность разработки и последующего использования таких аналитических выражений определяется следующим обстоятельством. Скорость спада значения ΔP по мере удаления от места взрыва изменяется за счет влияния на ударную волну среды, в которой она распространяется. Чем больше расстояние от места взрыва, тем сильнее искажается характер изменения давления во фронте ударной волны. Для двух ударных волн, которые при одинаковых условиях распространения в некоторый момент времени имели одно и тоже значение ΔP, в последующие моменты значения ΔP будут отличаться, если предыстория распространения этих волн была разной. Следовательно, расчетные соотношения для определения значений ΔP в эти последующие моменты также должны быть разными.
По изложенным причинам в технической литературе представлен достаточно широкий спектр расчетных соотношений для определения значений ΔP, каждое из которых имеет свою сферу применения и назначение. Например, для воздушного взрыва, для наземного взрыва, для малых расстояний от места взрыва, для значительных расстояний от места взрыва, для относительно небольших зарядов ВВ, для крупных зарядов ВВ и т.д.
При дальнейшем изложении в материалах курса будет использоваться одно базовое соотношение:
(5)
\[ΔP_{Ф}=\frac{84}{\overline{R}}+\frac{270}{{\overline{R}^{2}}}+\frac{700}{{\overline{R}^{3}}},(кПа),\]где R определяется из (2), (4).
Это соотношение известно в технической литературе под названием «формула М. А. Садовского » и широко используется при проведении практических расчетов как для наземных, так и для воздушных взрывов.
При необходимости решать обратную задачу, т.е. определять расстояние от места взрыва по заданному значению ΔP Ф, можно либо решать уравнение третьей степени (5) относительно R , либо воспользоваться соотношением:
(6)
\[\overline{R}=\sqrt{^{2}-1}\]Формула (6) дает хорошее совпадение с результатами точного решения уравнения (5). Для значений R в интервале от 2 до 12 ошибка не превышает 10 %. При этом расхождение тем больше, чем больше ΔP Ф.
Удельный импульс I определяется по соотношению
(7)
\где ΔP(t) — функция, характеризующая изменение избыточного давления во фронте ударной волны за период времени от 0 до τ + .
Кроме приведенных соотношений в технической литературе имеются соотношения для расчета значений и других параметров ударной волны: максимального давления разряжения, длительности фазы разряжения, скорости распространения ударной волны, давления скоростного напора, температуры во фронте ударной волны и др., однако в данном курсе эти соотношения не рассматриваются.
Пример 1
Прямая постановка задачи
Определить избыточное давление, которое будет испытывать прибор, установленный на расстоянии 10 м от места взрыва 1кг гексогена во взрывном устройстве, размещенном на грунте.
2. Определение R :
\[\overline{R}=\frac{R}{\sqrt{M_{T}}}=\frac{10}{\sqrt{1,56}}=8,62\]
3. Определение ΔP Ф:
\[ΔP_{Ф}=\frac{84}{\overline{R}}+\frac{270}{{\overline{R}^{2}}}+\frac{700}{{\overline{R}^{3}}}=\frac{84}{8,62}+\frac{270}{{8,62^{2}}}+\frac{700}{{8,62^{3}}}=14,5 кПа\]
Обратная постановка задачи
Определить максимальное расстояние, на котором допускается установить прибор, выдерживающий давление 14,5 кПа, от места взрыва 1 кг гексогена во взрывном устройстве, размещенном на грунте.
1. Определение R :
\[\overline{R}=\sqrt{^{2}-1}=\sqrt{^{2}-1}=8,37\]
2. Определение тротилового эквивалента:
\[М_{Т}=2ƞkM_{ВВ}=2\cdot0,6\cdot1,3\cdot1=1,56 кг\]
3. Определение R:
Оценка параметров ударной волны при взрыве газовоздушных смесей
Параметры ударной волны на расстояниях R < r o
При взрывах газовоздушных смесей параметры внутри газового облака могут изменяться в очень широких пределах в зависимости от условий взрыва, концентрации горючей компоненты и характера взрывного горения, которые при прогнозировании взрывов, особенно на открытом воздухе, учесть практически невозможно. Поэтому обычно расчеты проводят для худшего случая, при котором разрушительные последствия взрыва наибольшие.
Таким наихудшим случаем является детонационное горение смеси стехиометрического состава. Скорость распространения процесса детонационного горения внутри облака очень велика и превышает скорость звука. Давление внутри облака за время взрыва вообще говоря не постоянно. Однако для проведения приближенной оценки параметров взрыва можно условно принять, что облако имеет форму полусферы с центром на поверхности земли, взрыв ГВС происходит мгновенно и давление в процессе взрыва одинаково и постоянно во всех точках, находящихся внутри облака.
Для большинства углеродоводородосодержащих газовых смесей стехиометрического состава можно принять, что давление внутри газового облака составляет 1700 кПа. Для проведения более точных расчетов в технической литературе приводятся расчетные соотношения, позволяющие рассчитать скорость детонационного горения, время полной детонации облака, давление в детонационной волне и др.
Параметры ударной волны на расстояниях R > r o
Формулы для определения значений параметров ударной волны на расстояниях, превышающих радиус полусферы газового облака в окружающем воздухе, получены путем аппроксимации численного решения задачи о детонации пропановоздушной смеси, выполненной Б. Е. Гельфандом. Решение получено интегрированием системы нестационарных уравнений газовой динамики в сферических координатах в переменных Лагранжа и позволяет получать результаты удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными для горючих смесей различных углеводородов с воздухом.
Максимальное избыточное давление во фронте ударной волны (кПа):
(8)
\[ΔP_{Ф}=P_{0}\cdot \overline{P};\](9)
\[\lg\overline{P}=0,65-2,18\lg\overline{R}+0,52(\lg\overline{R})^{2};\] \[\overline{R}=\frac{R}{\sqrt{M_{T}}},\]где: MТ — тротиловый эквивалент наземного взрыва полусферического облака ГВС (кг);
P 0 — атмосферное давление, равное 100 кПа.
Удельный импульс (Па ⋅ с):
(10)
\(11)
\Тротиловый эквивалент (кг) определяется из соотношения (2), в котором k=Q/QТ и ƞ=1, т.е. в предположении, что энергия взрыва полусферического облака полностью отражена поверхностью, над которой это облако образовалось. С учетом изложенного:
(12)
\где: M В — масса вещества, взрывающегося в составе облака ГВС (кг);
Q — теплота, выделяющаяся при сгорании данного вещества (кДж/кг);
QТ — теплота взрыва тротила (4520 кДж/кг).
Q представляет собой табличную величину (таблица 3), которая показывает количество энергии, выделяющейся при взрыве (сгорании) единицы массы данного вещества.
Значение M В определяется соотношением
(13)
\где: M Хр — масса вещества, находившегося в хранилище до аварии (до взрыва);
δ — коэффициент, зависящий от способа хранения вещества, показывающий долю вещества, переходящую при аварии в газ:
δ=1 — для газов при атмосферном давлении,
δ=0,5 — для сжиженных газов, хранящихся под давлением,
δ=0,1 — для сжиженных газов, хранящихся изотермически,
δ=0,02–0,07 — для растекшихся ЛВЖ;
Объем газового облака V 0 и размер полусферы газового облака r 0 зависят от количества исходного вещества, находившегося в хранилище до аварии, и способа его хранения. Определение этих параметров может быть выполнено по формулам:
(14)
\ \где: V a — объем киломоля идеального газа (постоянная Авогадро: V a =22,4 м³/кмоль);
μ — молярная масса хранящегося вещества (кг/кмоль);
C стх — стехиометрическая объемная концентрация (в абсолютных долях).
Приближенно для наиболее часто используемых углеводородов можно пользоваться при расчетах формулой:
где: M Хр — количество вещества, находившегося в хранилище до аварии (взрыва) в т;
0.6 — коэффициент, учитывающий способ хранения.
Значения параметров, характеризующих некоторые вещества, приведены в таблице 3.
Таблица 3. Значения параметров, характеризующих некоторые вещества и их смеси с воздухом
Пример 2
Определить с помощью расчета по формулам избыточное давление и удельный импульс во фронте ВУВ на расстоянии 100 м от емкости, в которой находится 10 т. пропана, хранящегося в жидком виде под давлением, при ее разгерметизации и взрыве образовавшейся ГВС.
1. Определение массы пропана в составе ГВС
2. Определение тротилового эквивалента
3. Определение приведенного радиуса взрыва
4. Определение избыточного давления во фронте ударной волны
\[\lg\overline{P}=0,65-2,18\lg\overline{R}+0,52(\lg\overline{R})^{2}=0,65-2,18\cdot\lg2,14+0,52\cdot(\lg2,14)^{2}=-0,0135,\]
\[\overline{P}=10^{0,0135}=0,97,\]
следовательно
\[ΔP_{Ф}=P_{0}\cdot \overline{P}=100\cdot0,97=97 кПа\]
5. Определение значения удельного импульса ударной волны
\[\overline{I}=10^{1,84}=69,2,\] \
Приближенная оценка параметров взрывной волны за пределами облака может быть проведена по таблице 4, в которой представлены значения избыточного давления ΔP Ф и эффективного времени действия фазы сжатия θ, заранее рассчитанные для различных значений R/r 0 . Значения параметров, указанных в таблице, получены исходя из давления внутри газового облака 1700 кПа.
Таблица 4. Значения максимального избыточного давления и эффективного времени действия ударной волны при взрыве ГВС
| R/r 0 | 0–1 | 1.01 | 1.04 | 1.08 | 1.13 | 1.2 | 1.4 | 1.8 |
| ΔP Ф, кПа | 1700 | 1232 | 814 | 568 | 500 | 400 | 300 | 200 |
| 10 3 θ/r 0 , с/м | 0.37 | 0.53 | 0.74 | 0.97 | 1.00 | 1.07 | 1.10 | 1.25 |
| R/r0 | 2.7 | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 | 12 | 15 | 40 |
| ΔP Ф, кПа | 100 | 80 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 7.8 | 2.5 |
| 10 3 θ/r 0 , с/м | 1.7 | 1.78 | 2.18 | 2.30 | 2.59 | 3.02 | 3.53 | 3.76 | 4.39 |
Пример 3
Определить приближенным методом, по таблице избыточное давление во фронте ВУВ на расстоянии 100 м от емкости, в которой находится 55 т пропана, хранящегося в жидком виде под давлением, при ее разгерметизации и взрыве образовавшейся ГВС.
1. Определение r 0
2. Определение R/r 0 = 100/31 = 3,2
3. По таблице 4 находим, что ΔP Ф = 80 кПа (с учетом интерполяции 74 кПа).
Оценка степени повреждения зданий в условиях городской застройки
При взрывах в условиях городской застройки характер распространения ударной волны существенно изменяется из-за ее многократного отражения и экранирования стенами зданий. По этим же причинам обычно используемые для расчета значений ΔP формулы, в том числе и рассмотренные выше, неприменимы.
Для оценки степени повреждения или разрушения зданий в городе широко используется формула, полученная в Великобритании по результатам анализа последствий бомбардировок во время второй мировой войны:
(15)
\где: R — расстояние от места взрыва в метрах;
M T — тротиловый эквивалент заряда в килограммах;
K — коэффициент, соответствующий различным степеням разрушения:
К<5.6 — полное разрушение зданий;
К=5.6–9.6 — сильные разрушения здания (здание подлежит сносу);
К=9.6–28 — средние разрушения (возможно восстановление здания);
К=28–56 — разрушение внутренних перегородок, дверных и оконных проемов;
К=56 — разрушение 90% остекления.
Пример 4
Определить для условий городской застройки расстояние, начиная с которого здания получат сильные разрушения при взрыве боеприпаса, начиненного 500 кг гексогена.
1. Определение тротилового эквивалента:
\[М_{Т}=kM_{ВВ}=1,3\cdot500=650 кг\]
2. Определение искомого расстояния:
Оценка степени повреждения отдельно стоящих зданий
Под воздействием ударной волны здания и сооружения ведут себя как упругие колебательные системы. Расчетная оценка такого воздействия требует решения достаточно сложных динамических задач, связанных с описанием поведения упругих конструктивных элементов зданий и сооружений под воздействием ударных нагрузок, определяемых изменяющимися во времени и пространстве параметрами ударной волны. Возникающие в конструктивных элементах нагрузки зависят от параметров волны, характеристик объекта, его размеров и ориентации относительно фронта волны.
Наиболее точную оценку последствий воздействия ударной волны на конкретный объект позволяет получить эксперимент, проводимый на его макете с соблюдением правил подобия. Однако применение экспериментальных методов оценки далеко не всегда возможно.
Накопленный опыт исследования объектов, подвергавшихся воздействию взрывов, и результатов экспериментов с макетами выявил ряд закономерностей, позволяющих упрощенными методами оценивать возможные ожидаемые последствия воздействия взрывов на здания и сооружения. Ниже будут рассмотрены два метода: по допустимому давлению при взрыве и по диаграмме разрушения объекта.
По допустимому давлению при взрыве
Избыточные давления, при которых наступают различные степени разрушений одного из возможных типов зданий, приведены в Таблице 5. При использовании таблицы следует иметь ввиду, что она соответствует ударной волне ядерного взрыва, т.е. учитывает воздействие на объект только избыточного давления и не учитывает поражающее действие импульса. Для других видов взрывов, например для взрывов конденсированных ВВ или ГВС, значения давлений, приведенных в таблице, должны быть увеличены в 1.5 раза и более в зависимости от мощности взрыва и после этого сопоставлены со значениями избыточного давления. рассчитанными по формуле (5). При использовании таблицы следует иметь ввиду, что результат оценки будет приблизительным, поскольку не учитывается действие импульса.
Таблица 5. Действие ΔP Ф на объекты и людей
| Объект воздействия | Степень воздействия | ΔP Ф |
| Кирпичное здание производственного типа | Полное разрушение | > 70 кПа |
| Сильные разрушения | 33–70 кПа | |
| Средние разрушения | 25–33 кПа | |
| Слабые разрушения | 12–25 кПа | |
| Остекление | Разрушение на 90 % | 5 — 10 кПа |
| на 50 % | 2 — 5 кПа | |
| на 5 % | 1 — 2 кПа | |
| Люди | Крайне тяжелое поражение | > 100 кПа |
| Тяжелое поражение | 60–100 кПа | |
| Среднее поражение | 40–60 кПа | |
| Легкие поражения | 20–40 кПа |
В таблице в качестве примера приведены данные только для одного типа здания. В справочной литературе имеются аналогичные сведения для большого числа различных зданий и сооружений. В таблице также приведены данные, позволяющие оценить степень поражения людей действием давления ударной волны.
Пример 5
Определить по таблице степень разрушения кирпичного здания при взрыве на расстоянии 10м от него на грунте заряда гексогена массой 10 кг.
1. Определение тротилового эквивалента:
2. Определение R
3. Определение ΔP Ф:
4. Увеличивая табличные значения давлний или уменьшая рассчитанное значение ΔP Ф в 1.5 раза по таблице 5 определяем, что здание получит средние разрушения.
По диаграмме разрушений
Более точная оценка может быть получена на основе использования диаграмм, в которых результат воздействия ударной волны зависит от давления и импульса. Каждому конкретному объекту соответствует своя диаграмма степени разрушений, типичная форма которой приведена на рисунке 1.
Как следует из диаграммы, лишь небольшая зона А характеризуется зависимостью степени разрушений как от давления, так и от импульса. Остальная часть плоскости соответствует прямым ΔP=const (зона В), где влияние импульса мало, и прямым I=const (зона С), где не ощущается влияния давления.
Недостаток такого подхода к оценке степени разрушения зданий состоит в том, что составление диаграммы для конкретного объекта представляет собой достаточно сложную задачу.
Пример 6
Определить по диаграмме степень разрушения кирпичного здания, если на расстоянии 10 м от него произойдет взрыв 10 кг гексогена на грунте.
1. Определение тротилового эквивалента:
\[М_{Т}=2ƞkM_{ВВ}=2\cdot0,6\cdot1,3\cdot10=1,56 кг\]
2. Определение R
\[\overline{R}=\frac{R}{\sqrt{M_{T}}}=\frac{10}{\sqrt{15,6}}=4\]
3. Определение ΔP Ф:
\[ΔP_{Ф}=\frac{84}{\overline{R}}+\frac{270}{{\overline{R}^{2}}}+\frac{700}{{\overline{R}^{3}}}=\frac{84}{4}+\frac{270}{{4^{2}}}+\frac{700}{{4^{3}}}=48,8 кПа\]
4. Определение значения удельного импульса:
5. По диаграмме разрушений кирпичных зданий определяем, что здание получит средние разрушения.
Рисунок 1. Диаграмма разрушения кирпичных зданий.
Определение безопасных расстояний при взрывах
Безопасными расстояниями для людей при взрывах считаются такие расстояния, при которых человек не получает травм. При прямом воздействии воздушной ударной волны на человека границей опасной зоны является расстояние от центра взрыва до условной линии (радиус окружности), где давление фронта ударной волны ΔP Ф не превышает 10 кПа.
В Российской Федерации установлены единые правила определения безопасных расстояний обязательные к соблюдению всеми организациями, выполняющими взрывные работы. За основу проведения расчета минимально возможного безопасного расстояния в этих правилах принята формула:
(16)
\где: R > R без — безопасное расстояние в метрах;
M T — тротиловый эквивалент взрывчатого вещества в килограммах;
К — коэффициент, зависящий от условий взрыва.
Значения коэффициента К при размещении людей без укрытий устанавливаются в диапазоне от 30 до 45 для разных типов взрывов. В исключительных случаях, когда требуется максимально возможное приближение персонала к месту взрыва, R без может быть определено при коэффициенте 15, а например при укрытии людей в блиндажах К составляет 9,3.
Единые правила определения безопасных расстояний предусматривают правила расчета этих расстояний не только для человека, но и для зданий (сооружений), и для различных видов взрывов.
Пример 7
Определить безопасное расстояние для размещения людей в блиндаже при взрыве 50 кг аммонала.
1. Определение тротилового эквивалента:
\[М_{Т}=ƞkM_{ВВ}=0,99\cdot50=49,5 кг\]
2. Определение безопасного расстояния:
\
Материалы факультета военного обучения (МГТУ им. H. Э. Баумана)
Таблица 15 - Результаты расчета зон поражения (для человека)
| Характеристика зоны поражения | Вероятность поражения человека, Рпор | Глубина зоны, м |
| Зона безопасности | Рпор | >144 |
| Зона возможного слабого поражения | 0,01 | 144 |
| Зона возможного среднего поражения | 0,33 | 66 |
| Зона возможного сильного поражения | 0,5 | 55 |
| Зона безусловного поражения | Рпор>0,99 | 21 |
Таблица 16 - Результаты расчета зон повреждения зданий
Выводы:
,
что при авариях с утечкой ЛВЖ на автомобильном транспорте количество бензина, участвующего в аварии составит от
5 д
о 20 тонн
.
Площадь зоны разлива нефтепродуктов составит от 120 до
540 м
2
. Радиус зон составляет: безопасного удаления - от 58 до
144 м
; сильных разрушений - до
89 м
; полных разрушений - от 8 до
13 м
. Расстояние от границы жилой зоны до места аварии – от 25 до 100 м
. При этом возможное количество погибших может составить от 1 до 10
до
50
человека. Ущерб - до
5 млн. рублей.
в) аварии при перевозке СУГ.
Поражающие факторы:
1. Воздушная ударная волна, образующаяся в результате взрывных превращений топливо-воздушной смеси (ТВС) при разливе топлива в открытом пространстве;
2. Тепловое излучение горящих разлитий.
Исходные данные для расчета последствий ЧС:
1. Предполагается, что во взрыве облака ТВС принимает участие масса СУГ АЦ (15 м 3), заполненного на 80 % .
3. Плотность СУГ - 530 кг/м 3 .
4. Разгерметизация резервуара происходит мгновенно.
Таблица 17 - Результаты расчетов радиусов зон поражения людей
Таблица 18 - Результаты расчетов радиусов зон разрушения зданий
| Избыточное давление, ∆Р (кПа) | Степень разрушения | Радиус зоны разрушения, |
| 100 | Полное разрушение | 49,6 |
| 53 | 50 % разрушение | 70,0 |
| 28 | Среднее разрушение | 100,0 |
| 12 | Умеренное разрушение | 176,4 |
| 3 | Малые повреждения (Разбита часть остекления) | 538,8 |
Выводы: В результате приведенных расчетов видно, что при авариях с утечкой СУГ на транспорте его количество, участвующего в аварии составит от 5 д о 20 тонн . Радиус зон составляет: безопасного удаления - до 540 м ; сильных разрушений - до 70 м ; полных разрушений - до 50 м . Расстояние от границы жилой зоны до места аварии при перевозке автомобильным транспортом – от 25 до 100 м.
При этом возможное количество погибших может составить от 1 до 10 человек, количество пострадавших - до 50 человека. Ущерб - до 5 млн. рублей.
2.2.5. Анализ возможных последствий аварий на газовом хозяйстве
Меловатского сельского поселения
По территории Меловатского сельского поселения проходят газопроводы высокого, среднего и низкого давления диаметром от 100 до 325 мм с давлением Р от 0,0 3 до 55 кгс/см 2 . Кроме того, на расстоянии 5-ти км южнее окраины с. Новомеловатка проходит трасса магистрального газопровода «Средняя Азия – Центр ІІІ», три нитки диаметром 1,22 м и давлением 55 кгс/см 2 (5,5 МПа), производительностью 40 млн. м 3 в сутки, заглубление – 0,8 м. Разрушения, повреждения газопровода могут быть в результате технических дефектов, а также внешних механических воздействий (строительная деятельность, повреждения транспортом, террористические акты, военные действия).
При аварийном повреждении подземного газопровода образуется локальная зона загазованности непосредственно в месте разгерметизации. При этом не создаются условия для самозажигания струи газа. Возгорание возможно лишь в случае попадания в зону утечки источника инициирования зажигания.
При образовании воронки выброса газа и при наличии источника инициирования возгорания (воспламенения) газа в начальный момент времени возникает факельное горение метана. При отсутствии в начальный момент времени источника зажигания будет формироваться газовоздушное облако. При отсутствии ветра газовоздушное облако всплывает вверх и рассеивается. Однако может возникнуть вероятность взрыва при наличии источника воспламенения. Так как метан легче воздуха и газовоздушное облако обладает плавучестью, то при наличии ветра происходит его дрейф и облако может рассеяться.
В качестве поражающих факторов в разделе ИТМ рассматривается:
Воздушная ударная волна, образующаяся в результате взрывных превращений ГВС;
В качестве показателей последствий взрывных явлений и пожара приняты:
1. Степень поражения людей (смертельное поражение, тяжелые, средние, легкие травмы
порог поражения);
2. Степень разрушения окружающей застройки (полное, 50% разрушение, умеренное разрушение, малые повреждения, повреждение остекления);
3. Воздействие тепловых потоков на здания и сооружения оценивается возможностью воспламенения горючих материалов.
Основными Аварийными ситуациями на газовом хозяйстве Меловатского сельского поселения являются:
А-1 - разрушение (разгерметизация) газопровода (ГРП, ШРП);
А-2 - разрушение (разгерметизации) технологического оборудования котельных.
Оценка количества опасного вещества, участвующего в авариях
на объектах газового хозяйства:
Исходные данные:
Длина максимальных участков газопроводов:
Для газопроводов высокого давления (магистрального и внутрипоселковых сетей) – 0,5 км;
Для газопроводов среднего и низкого давления – 0,1 км;
Диаметры газопроводов (внутренние):
Газопроводов высокого давления – 1200 и 325 мм;
Газопроводов среднего и низкого давления (внутриквартальных и внутрипоселковых сетей) – 100 мм (максимальный);
Рабочее максимальное давление в трубопроводе:
Магистрального газопровода – 5,5 МПа;
Газопроводов высокого давления – 0,6 МПа;
Газопроводов среднего давления (внутриквартальных и внутрипоселковых сетей) – 0,3 МПа;
Газопроводов низкого давления (внутриквартальных и внутрипоселковых сетей) – 0,03 МПа;
Максимальный объём перекачки газа:
Магистрального газопровода высокого давления – q = 40 млн. м 3 / сутки (1,67 млн. м З /час (463 м З /с)) – по трём веткам; по одной q = 13,3 млн. м 3 / сутки (0,56 млн. м З /час (154 м З /с))
Газопроводов высокого давления (внутрипоселковых сетей) – q = 1100 м 3 / сутки (0,31 м З /с));
Газопроводов низкого давления (внутриквартальных и внутрипоселковых сетей) – q = 100 м 3 / сутки (0,031 м З /с).
Результаты расчётов:
Для газопроводов высокого давления:
диаметром 1,22 м:
V 1m = q*T = 154*120 = 18520 м З.
V 2m = 0,01π*5500*0,6 2 *500 = 31086 м З.
М = (18520 + 31086)*0,68 = 49606*0,68 = 33732
кг
3373,2 кг
).
диаметром 0,325 м:
V 2m = 0,01π*600*0,16 2 *100 = 48,2 м З.
Масса газа, поступившего в окружающую среду, таким образом, составляет:
М = (37,2 + 48,2)*0,68 = 85,4*0,68 = 58
кг
. Однако, при взрывах ТВС на открытом пространстве в создании поражающих факторов ЧС участвует 10% (5,8 кг
).
Для газопроводов среднего давления:
диаметром 0,1 м:
V 1m = q*T = 0,31*120 = 37,2 м З.
V 2m = 0,01π*300*0,05 2 *100 = 2,36 м З.
Масса газа, поступившего в окружающую среду, таким образом, составляет:
М = (37,2 + 2,36)*0,68 = 39,56*0,68 = 26,9
кг
. Однако, при взрывах ТВС на открытом пространстве в создании поражающих факторов ЧС участвует 10% (2,7 кг
).
Для газопроводов низкого давления:
диаметром 0,1 м:
V 1m = q*T = 0,031*120 = 3,72 м З.
V 2m = 0,01π*30*0,05 2 *100 = 0,28 м З.
Масса газа, поступившего в окружающую среду, таким образом, составляет:
М = (3,72 + 0,28)*0,68 = 4*0,68 = 2,7 кг . Однако, при взрывах ТВС на открытом пространстве в создании поражающих факторов ЧС участвует 10% (0,27 кг ).
Указанным количеством при расчёте зон поражения можно пренебречь. Зоны поражения не выйдут за охранно-защитную зону (2 м влево и вправо от оси газопровода).
при разрушении (разгерметизации) технологического оборудования котельной
Максимальная масса природного газа, участвующего в аварии при разрушении технологического оборудования котельной, в первую очередь зависит от объёма помещений котельных (таблица 19). Всего на территории поселения 2 котельных.
Таблица 19 - Характеристика котельных:
Для того, чтобы произошёл взрыв ТВС, необходимо, чтобы из-за неисправности оборудования утечка газа составила от 5 до 15 %. Следовательно, объём утечки должен составлять:
При 5%: 120 м 3 х 0,05 = 6 м 3 (при плотности газа 0,68 кг· м 3 – 4 кг)
При 15%: 120 м 3 х 0,15 = 18 м 3 (при плотности газа 0,68 кг· м 3 – 12 кг)
Максимальная масса газа, поступившего в помещение котельной, может составить 12 кг.
Количество опасного вещества, участвующего в реализации опасных сценариев ЧС приведено в таблице № 20:
Таблица № 20: - Количество опасного вещества участвующего в авариях:
| № п/п
| Название аварийной ситуации. | Объём природного газа (м 3)
| Количество опасного вещества (кг)
|
| Аварии на объектах газового хозяйства (А-1): |
|||
| 1. | Разрушение (разгерметизация) магистрального газопровода в/д диаметром 1,22 м | 33732 | 33732 кг (33,732 т.)
|
| 2. | Разрушение (разгерметизация) газопровода в/д диаметром 0,325 м | 85,4 | 58 кг (0,058 т.)
|
| 3. | Разрушение (разгерметизация) газопровода с/д диаметром 0,1 м | 40 | 27 кг (0,027 т.)
|
| 4. | Разрушение (разгерметизация) газопровода н/д диаметром 0,1 м | 4 | 2,7 кг (0,0027 т.)
|
| Аварии на объектах котельного хозяйства (А-2): |
|||
| 7 | Разрушение (разгерметизация) технологического оборудования котельной. | Природный газ | 12 |
Расчет вероятных зон действия поражающих факторов
при разрушении (разгерметизации) газопроводов (А-1)
Аварии при разгерметизации газопроводов сопровождаются следующими процессами и событиями: истечением газа до срабатывания отсекающей арматуры (импульсом на закрытие арматуры является снижение давления продукта); закрытие отсекающей арматуры; истечение газа из участка трубопровода, отсеченного арматурой.
В местах повреждения происходит истечение газа под высоким давлением в окружающую среду. На месте разрушения в грунте образуется воронка. Метан поднимается в атмосферу (он легче воздуха), а другие газы или их смеси оседают в приземном слое. Смешиваясь с воздухом газы образуют облако взрывоопасной смеси. Статистика показывает, что примерно 80 % аварий сопровождается пожаром. Искры возникают в результате взаимодействия частиц газа с металлом и твердыми частицами грунта. Обычное горение может трансформироваться во взрыв за счет самоускорения пламени при его распространении по рельефу и в лесу.
При оперативном прогнозировании принимают, что процесс горения при этом развивается в детонационном режиме. Раскрытая схема к определению давлений при аварии на газопроводе приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Расчетная схема к определению давлений при аварии на газопроводе
Р – давление в зоне детонации; Р ф - давление во фронте воздушной ударной волны; r 0 - радиус зоны детонации; R - расстояние от расчетного центра взрыва; 1 - зона детонации; 2 - зона воздушной ударной волны (R>r 0)
Дальность распространения облака (см. рис1) взрывоопасной смеси в направлении ветра определяется по эмпирической формуле
L = 25
, м, (3.49)
где М - массовый секундный расход газа, кг/с;
25 - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность м 3/2 /кг 1/2 ;
W – скорость ветра, м/с.
Тогда граница зоны детонации, ограниченная радиусом r 0 , в результате истечения газа за счет нарушения герметичности газопровода, может быть определена по формуле
r 0 = 12,5, м. (3.50)
Массовый секундный расход газа М из газопровода для критического режима истечения, когда основные его параметры (расход и скорость истечения) зависят только от параметров разгерметизированного трубопровода, может быть определен по формуле
М = 
, кг/с, (3.51)
где - коэффициент, учитывающий расход газа от состояния потока (для звуковой скорости истечения =0,7); F - площадь отверстия истечения, принимаемая равной площади сечения трубопровода, м 2 ; 
- коэффициент расхода, учитывает форму отверстия ( = 0,7- 0,9), в расчетах принимается = 0,8; Р г - давление газа в газопроводе, Па; V г - удельный объем транспортируемого газа при параметрах в газопроводе (определяется по формуле 3.52).
V г = R 0
, м 3 / кг, (3.52)
где Т - температура транспортируемого газа, К;
R 0 - удельная газовая постоянная, определяемая по данным долевого состава газа q к и молярным массам компонентов смеси из соотношения
R 0 = 8314
, Дж / (кгК), (3.53)
где 8314 - универсальная газовая постоянная, Дж / (кмольК);
m к - молярная масса компонентов, кг/кмоль;
n - число компонентов.
В зоне действия детонационной волны давление принимается равным 1,7 МПа. Давление во фронте ВУВ на различном расстоянии от газопровода определяется также с использованием данных таблицы 21.
Таблица 21 - Давление во фронте ударной волны в зависимости от расстояния до шнура взрыва
.
| r/r 0 | 0 - 1 | 1,01 | 1,04 | 1,08 | 1,2 | 1,4 | 1,8 | 2,7 |
| Р ф,кПа | 1700 | 1232 | 814 | 568 | 400 | 300 | 200 | 100 |
| r/r 0 | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 | 12 | 20 | - |
| Р ф,кПа | 80 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 5 | - |
При прогнозировании последствий случившейся аварии на газопроводе зону детонации и зону действия ВУВ принимают с учетом направления ветра. При этом считают, что граница зоны детонации распространяется от трубопровода по направлению ветра на расстояние 2r 0 . В случае заблаговременного прогнозирования, зона детонации определяется в виде полос вдоль всего трубопровода шириной 2r 0 , расположенных с каждой из его сторон. Это связано с тем, что облако взрывоопасной смеси может распространяться в любую сторону от трубопровода, в зависимости от направления ветра. За пределами зоны детонации по обе стороны от трубопровода находятся зоны действия ВУВ. На плане местности эти зоны также имеют вид полосовых участков вдоль трубопровода.
При разработке разделов проекта ИТМ ГОЧС на планах местности вдоль магистральных нефте- и газопроводов наносятся зоны возможных сильных разрушений, границы которых определяются величиной избыточного давления 50 кПа.
При проведении оперативных расчетов следует учитывать, что в зависимости от класса магистрального трубопровода, рабочее давление газа Р г может составлять: для газопроводов высокого давления - 0,6 – 7.5 МПа; среднего давления - от 0,3 до 0,6 МПа; низкого давления - до 0,3 МПа. Диаметр газопровода может быть от 100 до 1200 мм. Температура транспортируемого газа может быть принята в расчетах t 0 = 40 0 С. Состав обычного газа, при отсутствии данных, может быть принят в соотношении: метан (СН 4) - 90 %; этан (С 2 Н 6) - 4 %; пропан (С 3 Н 8) - 2 %; Н-бутан (С 4 Н 10) - 2 %; изопентан - (С 5 Н 12) - 2 %.
Расчет
радиусов зоны детонации r 0 при взрыве участков газопроводов
Исходные данные
:
d = 1,2 м; Р г = 5,5 МПа; t = 40 0 С; W = 1 м/с; =0,8.
Расчет:
1. R 0 =8314,4
=8314,4(
) = 486 КДж/(кг*К).
2. V г = R 0
= 254 м 3 /кг.
3. М = = 147,15 кг/с.
4. r 0 = 12,5 = 152 м.
Отсюда зона детонации будет равна: 2r 0 = 304 м (с каждой стороны трассы газопровода).
Используя таблицу 21 получаем радиус зоны возможных сильных разрушений, границы которой определяются величиной избыточного давления 50 кПа:
r = 4r 0 =608 м
Аналогичные расчёты выполнены и для других участков газопроводов. Полученные данные сведены в таблицу 22:
| Таблица 22 - Радиусы зон поражения при воздействии избыточного давления |
|||||
| Степень поражения | Избыточное давление, (∆Р кПа) | Радиус зоны, м для газопроводов |
|||
| м/г 1,42 м | в/д 0,325 м | с/д 0,1 м | н/д 0,1 м |
||
| Радиус зоны детонации r 0 | 1700 | 152 | 9,5 | 5 | 2,7 |
| Разрушение зданий: |
|||||
| Полное разрушение зданий | 100 | 410 | 25,7 | 13,5 | 7,3 |
| 50 %-ное разрушение зданий | 53 | 608 | 38 | 20 | 11 |
| Средние повреждения зданий | 28 | 912 | 57 | 30 | 16,2 |
| Умеренные повреждения зданий | 12 | 1520 | 95 | 50 | 27 |
| Малые повреждения (разбита часть остекления | 3 | 3500 | 285 | 150 | 75 |
| Поражения людей: |
|||||
| Крайне тяжелые | 100 | 410 | 25,7 | 13,5 | 7,3 |
| Тяжелые травмы | 60 | 550 | 28,5 | 15 | 9 |
| Средние травмы | 40 | 760 | 47,5 | 25 | 13,5 |
| Легкие травмы | 20 | 1216 | 76 | 40 | 22 |
| Пороговые поражения | 5 | 3040 | 190 | 100 | 54 |
Расчет вероятных зон действия поражающих факторов при разрушении (разгерметизации) технологического оборудования котельных (А-2)
В результате разрушения газопроводов и технологического оборудования с горючими веществами возможен их выброс внутрь здания или на открытую площадку с образованием газопаровоздушной смеси (ГПВС). Серьезную опасность для персонала, и технологического оборудования представляет взрыв образовавшейся ГПВС.
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, давление при этом возрастает незначительно.
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 при наличии источника зажигания.
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 котельной можно разделить на две группы - в открытом пространстве и производственном помещении.
Аварии со взрывом могут произойти на пожаровзрывоопасных объектах. К пожаровзрывоопасным объектам относятся объекты, на территории или в помещениях которых находятся (обращаются) горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости и горючие пыли в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные горючие смеси, при горении которых избыточное давление в помещении может превысить 5 кПа. В этом случае газо-, паро-, пылевоздушная смесь займет частично или полностью весь объем помещения.
Котельная:
Сценарий С-1
:
(Разгерметизация технологического оборудования, утечка газа, воспламенение на месте выброса, ликвидация горения).
Масса природного газа, который может поступить в котельную – 12 кг.
Природный газ не токсичен. Однако из-за того, что газ не пригоден для дыхания, то он может представлять опасность для персонала внутри помещения котельной. Необходимо соблюдать правила пожарной безопасности, не пользоваться открытым огнём и использовать средства индивидуальной защиты (изолирующий противогаз). При этом от удушья может погибнуть 1 человек из числа персонала котельной.
Сценарий С-2 (Разгерметизация технологического оборудования, утечка газа, воспламенение на месте выброса, горение).
Исходные данные:
Частота реализации сценария год -1: 4*10 -5
Наименование вещества: природный газ
Масса вещества, кг: 12
Рассматриваемые сценарии:
Пожар утечки.
Результаты расчета:
(поражающие факторы пожара не выйдут за пределы котельной)
Сценарий С-3
(Разгерметизация оборудования, утечка газа, воспламенения на месте выброса нет, образование облака ТВС, источник зажигания, взрыв ТВС с ударной волной).
