CC BY
41
О.С. Кочетов
профессор кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности», д.т.н., профессор,Московский государственный университет
приборостроения и информатики
O.S. Kochetov Dr.Sci. Tech., professor,
professor of "Ecology and Health and Safety " chair of the Moscow state university of instrument making and informatics (o_kochetov@mail.ru, 89096623323)
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ
Аннотация. В работе рассмотрена методика расчета взрывных нагрузок на технологическое оборудование, здания и сооружения при воздействии внешних и внутренних аварийных, взрывоопасных факторов. Приводятся конструкции разработанных средств для обеспечения взрывопожаробезо-пасной работы оборудования в технологических цепочках современного производства.
Исследованыпараметрыпредложенныхконструкцийвзрывозащитногоустро йства.
Annotation. In work the method of calculation of explosive loads of processing equipment, buildings and constructions is considered at influence of external and internal emergency, explosive factors. Designs of the developed means for ensuring fire and explosion safe work of the equipment are given in technological chains of modern production. Parameters of the offered designs of the explosion-proof device are investigated.
Ключевые слова: взрывные нагрузки, технологическое оборудование, здания и сооружения, взрывозащитное устройство, сбросное отверстие, скорость распространения пламени.
Keywords: explosive loadings, processing equipment, buildings and constructions, explosion-proof device, waste opening, speed of distribution of a flame.
Прирасчете требуемой площади проходного сечения взрывозащитного устройства для сброса давления взрыва необходимо выполнить следующее условие: повышение давления в защищаемом объеме при горении среды должно быть полностью компенсировано снижением давления вследствие истечения газов через сбросное отверстие, для этого необходимо удалять в единицу времени из объема количество газов, определяемое формулой [1-3, 4,6] G = Fup(e - 1), (1)
где F- поверхность фронта пламени; u- нормальная скорость распространения фронта пламени; p - плотность удаляемого газа; е - степень расширения газов при сгорании.
Величины F, p и е в процессе сгорания и изменения давления также изменяются, но зададимся значением этих величин для наиболее опасного случая, отмечая эти величины индексом m,
Gm = Fmupm(em- 1). (2)
Предельное значение плотности газа можно выразить формулой:
Pm = Po(Pm/Po)1/7, (3)
где Р - абсолютное значение давления в защищаемом объеме; у =СР/Су-показатель адиабаты; СРи Су - средние теплоемкости газов соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме; индекс «о» обозначает начальные значения параметров.
При определении ртпринято, что через сбросное отверстие истекает холодный горючий газ, а не продукты сгорания. Площадь сбросного отверстия должна быть рассчитана таким образом, чтобы при самых неблагоприятных условиях давление в защищаемом объеме не превысило наперед заданной величины Рт.
Степень расширения газов при сгорании изменяется в зависимости от их температуры. При адиабатическом сжатии горючего газа в процессе развития взрыва величину етможно выразить в зависимости от давления в соответствии с уравнением:
8т = 1 + (8с-1)(Рт /Ро)^* (4)
Для эффективной взрывозащиты любого объекта, обусловленной сбросом давления взрыва, необходимо, чтобы предохранительное устройство могло обеспечить расход газов не менее
Gm= FmUро(Sо - 1)(Рт /Ро)^* (5)
Из газодинамики известно, что массовый расход газа под давлением Ртчерез отверстие может быть выражен следующим образом:
при докритическом режиме истечения, когда Р> (2/(у +1)у/(у-1).
^ = aSPm
1
2М у
(рку _^^у) (6)
RT у _ 1
при надкритическом режиме, когда |3< (2/(у +1)у/(у-1).),
а = aSP у
RT\
2 уу+1)/(у_1)
у +1
(7)
где а - коэффициент истечения сбросного отверстия; S - площадь проходного сечения сбросного отверстия; (3 = Р'/Рт - максимальный относительный перепад давлений на сбросном отверстии; Р'- абсолютное давление в пространстве, в которое происходит истечение газов (если сброс газов осуществляется в атмосферу, то Р'=0,1 МПа); М - молекулярная масса газа; Т - абсолютная температура сбрасываемого газа; R - универсальная газовая постоянная.
Величина Рт, как уже отмечалось, определяется прочностью защищаемого объекта и представляет собой максимальное давление, которое может быть допущено из условия прочности объекта. Введением этой величины в формулы (6) и (7) по существу и выражается условие максимума массового расхода Gm.
Сопоставляя правые части формул (5), (6) и (7), можно получить соотношения для площади проходного сечения устройств сброса давления взрыва: для случая докритических режимов истечения, когда Р> (2/(у +1)у/(у-1)
5Ртир,(е, — 1ХР./Р„)<2—у)/у
аР„
-<8)
2М У 1(^2/Г - ^(У+1)/Г )
ЯГ у
для случая надкритических режимов истечения, когда |3< <2/<у +1)7<7-1))
5 > РМР„(£„ - 1)(Р- /Р,Г"''
аР,
т'
уМ
г \
ЯГ
2
у +1
(у+1) /< у—1) <9)
где Fm - максимальная поверхность фронта пламени Fm= хГ„т ; г т - максимальная поверхность пламени, наиденная геометрически в предположении, в первом приближении, что от точки поджога пламя распространяется во все стороны с одинаковой скоростью и поэтому имеет сферическую форму; х - коэффициент искривления фронта пламени.
Для сосудов цилиндрической формы с отношением длины к диаметру больше единицы величина Гтравна поверхности сферы, вписанной в цилиндрическую часть сосуда.
Производственные помещения чаще всего имеют форму прямоугольного параллелепипеда. Если размеры такого помещения обозначить А, В и С, причем А<В<С, то в случае инициирования горения в геометрическом центре объема максимальную поверхность фронта пламени можно выразить [8, 14-18] Г„т = яАВ,
т.е. она не зависит от размера С и определяется только площадью поперечного сечения здания.
Наиболее неблагоприятный случай реализуется, когда через сбросное отверстие истекают не продукты сгорания, а холодные газы. Из этого следует, что температуру истекающих газов в формулах <8) и <9) можно выразить Т = Т„<Рт /Р„)<7-1У7.
Степень расширения газов епри сгорании по существу представляет собой отношение температуры продуктов сгорания к температуре горючей смеси, и поэтому ее легко вычислить по тепловому эффекту химической реакции горения. Для практических инженерных расчетов значительно более удобно пользоваться не величиной е, а функционально связанной с ней степенью повышения давления при взрыве в замкнутом объеме у=1+у<е-1),
так как она входит в перечень так называемых стандартных параметров пожаровзрывоопасности веществ, определяется экспериментально и содержится в справочной литературе [3]. С учетом того, что связь между у и е„ устанавливается зависимостью
е„ - 1= <у-1)/у <1„)
Тогда расчетные формулы для определения площади сбросных отверстий в окончательном виде можно записать следующим образом: для докритического режима истечения
5 >
XFlu(y -1)
ay
fp ^ m
P
К10
3( y-1
2 К y
2RT0 M
y
y -1
2
y+1 л
py - p y
К У
(11)
для надкритического режима истечения
s >
xFy (v -1)
ay
Гр Л
m
P
Кг 0
3 ( y-1
2 К y
1
yRT м
г
К
2
y + 1
\(y+1)/(y-1)
J
(12)
Полученные расчетные формулы можно использовать как в расчете взрывных клапанов и мембран для взрывозащиты технологического оборудования, так и в расчете легкосбрасываемой кровли и вышибных проемов для взрывозащиты зданий.
Причем, в оборудовании могут реализоваться оба режима истечения газов в зависимости от его прочности (давление Р^ и места сброса газов (давление P'), а при взрывозащите зданий практически всегда допустим только докритический режим истечения, и поэтому для зданий следует пользоваться формулой (11).
На ПЭВМ в компьютерной среде «Excel» были установлены зависимости (рис.1 и 2) для определения диаметра сбросного отверстия взрывного клапана для защиты цилиндрического сосуда диаметром D =1,8 м и высотой Н = 4 м от взрыва паров ацетона, а также выявлена закономерность изменения диаметра сбросного отверстия от скорости распространения пламени.
Рис. 1. Зависимость диаметра сбросного отверстия от диаметразащищаемого
сосуда
При анализе полученных результатов были выявлены следующие закономерности:
1)Зависимость диаметра сбросного отверстия от диаметра защищаемого сосуда определяется как линейная и характеризуется следующей, полученной в результате аппроксимации формулой
d = 0,23^-0,0009 ,
2)Зависимость изменения диаметра сбросного отверстия от скорости рас-
пространения пламени характеризуется следующей, полученной в результате аппроксимации степенной зависимостью
d = „,636и
„,5„17
Рис. 2. Зависимость изменения диаметра сбросного отверстия взрывного клапана от скорости распространения пламени паров ацетона вцилиндрическом сосуде диаметром D =1,8 м и высотой Н = 4 м.
На рис.3 представлена общая схема взрывозащитного производственного здания, состоящего из, расположенного на слое грунта, фундамента, на котором установлено взрывоопасное и пожароопасное оборудование. В ограждениях <боковых и верхних) производственного здания выполнены взрывозащитные элементы: для боковых ограждений - в виде предохранительных разрушающихся конструкций ограждения зданий <рис.4), а для верхних ограждений - в виде взрывозащитной плиты на кровле или чердачном перекрытии здания <рис.5).
Рис. 3. Общая схема взрывозащитного производственного здания.
Для большинства газо-воздушных смесей <ГВС) максимальное давление взрыва в замкнутом объеме ртах составляет „,7^1,„ МПа, т.е. в 6^9 раз превышает атмосферное давление, создает нагрузку, существенно превышающую несущую способность конструкций <стен, перекрытий) промышленных зданий. Очевидно, что такое большое давление допускать нельзя. Для этого при разработке проекта производства предусматриваются различные взрывозащитные конструкции.
На практике для отвода энергии в процессе горения широко используются
предохранительные конструкции в виде образующихся при взрыве проемов (отверстий), причем их должно быть такое количество (суммарная требуемая площадь проходного сечения отверстий), которые смогли бы обеспечить пропуск требуемого количества как сгоревшего, так и холодного газа. Эти отверстия принято называть сбросными, а конструкции, их ограждающие - предохранительными конструкциями (ПК). Предохранительные конструкции вскрываются при сравнительно небольшом избыточном давлении и тем самым обеспечивают возможность интенсивного истечения газа (продуктов горения и непрореагиро-вавшей части ГС) через образовавшиеся проемы из помещения в наружную атмосферу. Истечение газа в атмосферу приводит к снижению избыточного давления в помещении. Степень снижения давления зависит от площади ПК, закономерностей их вскрытия, вида ГС, характера загазованности помещения, его объемно-планировочного решения и других факторов. Весьма интересное применение в качестве ПК получили стекла, остекления помещений [3, 4]. Стекла, используемые в качестве ПК, могут устанавливаться как в стенах здания (в виде застекленных оконных переплетов), так и в фонарях (фонарных надстройках), монтируемых на покрытии сооружения. В последнем случае может использоваться не только вертикальное остекление, но и наклонное и горизонтальное остекления. Образование проемов в застекленных оконных переплетах и фонарях (фонарных надстройках) происходит в результате разрушения стекол под действием избыточного давления, возникающего в помещении при взрывном горении ГС. Закономерности вскрытия остекления в значительной степени зависят от размеров стекол, их толщины, условий закрепления и вида остекления (одинарное, двойное или тройное).
Один из вариантов предохранительной разрушающейся конструкции ограждения представлен на рис.7, и предназначенной для безфонарных зданий. ПК выполнена в виде организованно разрушающейся конструкции (ОРК), в которой отсутствуют оконные проемы, и состоит из железобетонных панелей 8 размером 6000x1800 мм. Панель, в свою очередь, состоит из разрушающейся и неразрушающейся частей. Неразрушающаяся часть выполнена в виде несущих ребер толщиной порядка 200x150 мм,размещенных по контуру ОРК. Разрушающаяся часть выполнена в виде двух коаксиально расположенных ниш (углублений в стене здания), одна из которых, внешняя образована плоскостями 1,
2-щ> Л и оо __о
, 3, 4 правильной четырехугольной усеченной пирамидой с прямоугольным основанием, а другая - внутренняя представляет собой две наклонные поверхности 5 и 6, соединенные ребром 7, с образованием паза, при этом толщина стены от ребра 7 до внешней поверхности ограждения 8 здания должна быть не менееб = 20 мм. За счет этих пазов в стене здания, при воздействии ударной, взрывной нагрузки этот участок стены может быть разделен на отдельные части. Соединение разрушающихся частей панели в пазах производится арматурой с таким расчетом, чтобы плиты не деформировались при перевозке, монтаже и ветровой нагрузке.
Другой разновидностью предохранительной конструкции являются неразрушающиеся конструкции в виде предохранительных взрывозащитных клапанов [29-32], устанавливаемых на взрыво-пожароопасном технологическом оборудовании и взрывозащитных плит (рис.8), располагаемых, как правило, на кровле или покрытии зданий.
Взрывозащитная плита состоит из бронированного металлического каркаса 1 с бронированной металлической обшивкой 2 и наполнителем - свинцом 3. В покрытии объекта 7 у проема 8 симметрично относительно оси 9 заделаны четыре опорных стержня 4, телескопически вставленные в неподвижные патрубки-опоры 6, заделанные в панели. Для фиксации предельного положения панели к торцам опорных стержней 4 приварены листы-упоры 5. Для того, чтобысдемп-фировать (смягчить) ударные нагрузки при возврате панели наполнитель выполнен в виде дисперсной системы воздух-свинец, причем свинец выполнен по форме в виде крошки, а опорные стержни 4 выполнены упругими. Наполнитель может быть выполнен по форме в виде шарообразной крошки одного диаметра; или в виде шарообразной крошки разного диаметра. Наполнитель может быть выполнен в виде крошки произвольной формы разного диаметрального (максимального по внешнему, произвольной формы, контуру крошки) размера.
2 /3 ,4
шш» Г 7
1 Г й * /9 г А / - * » [ -а 1
/
Рис.5. Схема взрывозащитной плиты взрывоопасного объекта
При взрыве внутри производственного помещения происходит подъем панели от воздействия ударной волны и через образовавшейся открытый проем 8 сбрасывается избыточное давление. После взрыва и спада избыточного давления, опустившись, панель перекрывает проем 8 и вредные вещества не поступают в атмосферу. Дляфиксации предельного положения панели служат листы-упоры 5. Для того, чтобысдемпфировать (смягчить) ударные нагрузки при возврате панели наполнитель металлического каркаса 1 выполнен в виде дисперсной системы воздух-свинец, причем свинец выполнен по форме в виде крошки, а
опорные стержни 4 выполнены упругими. Выводы:
1. Разработана методика и программа расчета на ПЭВМ в компьютерной среде «Ехсе1»средств по предупреждению пожаров и взрывов на особо опасных объектах.
2. Найдены оптимальные параметры предложенных конструкций взрыво-защитных устройств:
- Зависимость диаметра сбросного отверстия взрывозащитного устройства от диаметра защищаемого сосуда
d = 0,2313D-0,0009
- Зависимость изменения диаметра сбросного отверстия взрывного клапана от скорости распространения пламени паров ацетона вцилиндрическом сосу-
1 Л ¿-'•¡г 0,5017
де d = 0,636u
Источники:
1.Комаров А.А.. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка их воздействия на здания и сооружения. МГСУ, 2001 г.
2. Методика оценки последствий аварий на пожаровзрывоопасных объектах/ Бодриков О.В., Елохин А. Н., Рязанцев Б.В. - М.: МЧС России, 1994.
3. Методика расчета нагрузок на здания и сооружения при воздействии внешних аварийных дефлаграционных взрывов. Мишуев А. В., Хуснутдинов Д. 3. -М.: МИСИ, НТЦ «Взры-воустойчивость», 2004. - 65 с.
4. Кочетов О С. Методика расчета требуемой площади сбросного отверстия взрывозащитного устройства. Журнал «Пожаровзрывобезопасность», № 6, 2009, стр.41-47.
5. Гетия С.И., Кочетов О.С. Эффективность взрывозащитных устройств в технологических процессах. М.: МГУПИ, «Вестник МГУПИ», серия «Машиностроение», № 24, 2009. С.92-104.
6. Кочетов О.С. Расчет взрывозащитных устройств. Журнал «Безопасность труда в промышленности», № 4, 2010, стр.43-49.
7. Баранов Е.Ф., Кочетов О.С.Расчет взрывозащитных устройств для объектов водного транспорта /Речной транспорт (XXI век). № 3, - 2010. С.66-71.
8. Кочетов О.С. Расчет конструкций взрывозащитных устройств. Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb). Выпуск № 3 (49), 2013 г.
9. Кочетов О.С., Новиков В.К., Баранов Е.Ф., Маслов И.В. Повышение взрывобезопас-ности на объектах водного транспорта// Речной транспорт (XXI век). № 2, - 2014. С. 40-43.
10.Кочетов О.С.Теоретические исследования развития взрыва в замкнутых и полузамкнутых объемах// Научные аспекты глобализационных процессов:сборник статей Международной научно-практической конференции (23 сентября 2014 г.,г.Уфа).-Уфа:РИО МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2014.-100с.С. 7-13.
11. Кочетов О.С. Методика стендовых испытаний взрывозащитных мембран// Техника и технологии: Пути инновационного развития [Текст]: Сборник научных трудов 4-ой Международной научно-практической конференции (30 июня 2014 г.)/ редкол.:Горохов А.А. (отв.Ред.);Юго-Зап.гос.ун-т.Курск, 2014.-271с., С. 166-173.
12. Кочетов О.С. Исследование эффективности взрывозащитных устройств// Современное общество, образование и наука: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 июня 2014 г.: в 9 частях. Часть 5. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. 164с. С. 78-80.
13. Кочетов О.С. Способ взрывозащиты производственных зданий// Современное общество, образование и наука: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 июня 2014 г.: в 9 частях. Часть 5. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. 164с. С. 80-82.
14. Кочетов О С., Новиков В.К., Маслов И.В. Безопасность заправки сжиженным природным газом, используемым в качестве топлива на судах водного транспорта// В мире научных исследований: материалы YI Международной научно-практической конференции (5 июля
2014 г., г.Краснодар)/отв.ред.Т.А. Петрова. - Краснодар,2014.-106с., С. 27-31.
15. Кочетов О.С. Предохранительные элементы в защитных конструкциях взрывоопасных объектов// Наука и образование XXI века: сборник статей Международной научно-практической конференции (29 августа 2014 г., г.Уфа). - Уфа: Аэтерна, 2014.-146с., С. 17-22.
16. Кочетов О.С. Способ определения эффективности взрывозащиты// Инновационные процессы современности: сборник статей Международной научно-практической конференции (18 сентября 2014 г., г.Уфа). - Уфа: РИО МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2014.-144с. С. 27-30.
17. Кочетов О.С. Система сбрасывания и ликвидации взрывоопасных и токсичных газов// Инновационные процесы современности: сборник статей Международной научно-практической конференции (18 сентября 2014 г., г.Уфа). - Уфа: РИО МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2014.-144с. С. 30-35.
18. Кочетов О.С., Гетия И.Г., Гетия С.И., Леонтьева И.Н. Эффективность взрывозащитных устройств// Техника и технологии: Пути инновационного развития [Текст]: Сборник научных трудов 4-ой Международной научно-практической конференции (30 июня 2014 г.)/ ред-кол.:Горохов А.А. (отв.Ред.);Юго-Зап.гос.ун-т.Курск, 2014.-271с., С. 145-151.
19. Кочетов О.С.,Баранов Е.Ф., Панарин Т.В., Гетия И.Г., Гетия С.И., Панферова Г.Н., Леонтьева И.Н. Предохранительный клапан с разрывным элементом// Патент РФ на изобретение № 2379569. Опубликовано 10.01.2010. Бюллетень изобретений № 1.
20. Кочетов О.С.,Баранов Е.Ф., Панарин Т.В., Гетия И.Г., Гетия С.И., Панферова Г.Н., Леонтьева И.Н. Взрывозащитный клапан// Патент РФ на изобретение № 2379569. Опубликовано 20.01.2010. Бюллетень изобретений № 2.
21. Кочетов О.С. Клапан с огнепреградителем // Патент РФ на изобретение № 2384783. Опубликовано 20.03.2010. Бюллетень изобретений № 8.
22. Кочетов О.С., Баранов Е.Ф., Кривченко Л.М., Скребенкова Л.Н., Шумилин В.К. Кассетный огнепреградитель // Патент РФ на изобретение № 2386462. Опубликовано 20.04.2010. Бюллетень изобретений № 11.
23. Кочетов О.С. Насадочный огнепреградитель // Патент РФ на изобретение № 2389522. Опубликовано 20.05.2010. Бюллетень изобретений № 14.
24. Кочетов О.С. Сухой огнепреградитель // Патент РФ на изобретение № 2389523. Опубликовано 20.05.2010. Бюллетень изобретений № 14.
25. Кочетов О.С., Баранов Е.Ф., Кривченко Л.М., Скребенкова Л.Н., Шумилин В.К. Кассетный огнепреградитель с радиальными каналами // Патент РФ на изобретение № 2401676. Опубликовано 20.10.2010. Бюллетень изобретений № 29.
26. Кочетов О.С.,Гетия И.Г., Гетия С.И., Леонтьева И.Н. Система сбрасывания и ликвидации взрывоопасных и токсичных газов// Патент РФ на изобретение № 2422177. Опубликовано 27.06.2011. Бюллетень изобретений № 18.
27. Кочетов О.С.,Гетия И.Г., Гетия С.И., Леонтьева И.Н., Стареева М.О. Взрывозащит-ный клапан для технологического оборудования // Патент РФ на изобретение № 2442052.Опубликовано 10.02.2012. Бюллетень изобретений № 4.
28. Кочетов О.С.,Стареева М.О. Противовзрывная панель// Патент РФ на изобретение № 2458212.Опубликовано 10.08.2012.Бюллетень изобретений №22.
29. Сошенко М.В., Шмырев В.И., Стареева М.О., Кочетов О.С.Устройство для защиты зданий и сооружений с помощью разрушающихся элементов конструкций // Патент РФ на изобретение № 2458213. Опубликовано 10.08.2012. Бюллетень изобретений № 22.
30. Кочетов О.С.,Стареева М.О. Способ подбора размера отверстия для легкосбрасы-ваемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов// Патент РФ на изобретение № 2459050. Опубликовано 20.08.2012. Бюллетень изобретений № 23.
31. Кочетов О.С.,Акатьев В.И., Сошенко М.В., Шмырев В.И., Тюрин М.П.,Стареева М.О. Предохранительная разрушающаяся конструкция ограждения зданий// Патент РФ на изобретение № 2459912. Опубликовано 27.08.2012. Бюллетень изобретений № 24.
32. Сошенко М.В., Шмырев В.И., Стареева М.О., Кочетов О.С.Способ взрывозащиты производственных зданий // Патент РФ на изобретение № 2471936. Опубликовано 10.01.2013. Бюллетень изобретений № 1.
33. Кочетов О.С.,Стареева М.О., Стареева М.М. Взрывозащитный клапан для технологического оборудования // Патент РФ на изобретение № 2495313. Опубликовано 10.10.2013.
Бюллетень изобретений № 28.
34. Кочетов О.С. Способ определения эффективности взрывозащиты и устройство для его осуществления // Патент РФ на изобретение № 2488074. Опубликовано 20.07.13. Бюллетень изобретений № 20.
35. Дурнев Р.А., Иванова О.Ю., Кочетов О.С. Система сбрасывания и ликвидации взрывоопасных и токсичных газов // Патент РФ на полезную модель № 134058. Опубликовано 10.11.13. Бюллетень изобретений № 31.
