CC BY
173
С. Г. Алексеев
канд. хим. наук, начальник отдела Уральского института ГПС МЧС России, г. Екатеринбург, Россия
С. А. Тимашев
д-р техн. наук, профессор, директор Научно-инженерного центра "Надежность и ресурс больших систем и машин" УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия
А. С. Авдеев
начальник сектора ГУ "Судебно-экспертное учреждение ФПС "Испытательная пожарная лаборатория" по Пермскому краю, г. Пермь, Россия
Е. С. Гурьев
Н. М. Барбин
д-р техн. наук, канд. хим. наук, старший научный сотрудник, заведующий кафедрой Уральского института ГПС МЧС России, г. Екатеринбург, Россия
канд. техн. наук, доцент, ученый секретарь Научно-инженерного центра "Надежность и ресурс больших систем и машин" УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия
УДК 614.84:665.74
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЗРЫВ0П0ЖАР00ПАСН0СТИ Т0ПЛИВ0В03ДУШНЫХ СМЕСЕЙ НА ПРИМЕРЕ КЕР0СИНА МАРКИ РТ. I. РБ Г-05-039-96
Произведен расчет параметров взрыва топливовоздушной смеси по РБ Г-5-05-039-96 в режиме детонации и дефлаграментации на примере керосина РТ. Выявлены возможности и недостатки методики РБ Г-5-05-039-96. Ключевые слова: взрыв, керосин, топливовоздушная смесь, избыточное давление.
Вопросам оценки взрывопожарной опасности различных углеводородных топлив уделяется пристальное внимание, что нашло отражение в различных нормативных документах. Предметом данной статьи является анализ применимости требований руководства РБ Г-05-039-96 [1] на примере оценки взрывопожароопасности розлива керосина марки РТ. Несмотря на то что данный документ разрабатывался в первую очередь для объектов атомной энергетики, область его применения значительно шире: она охватывает все потенциально опасные объекты [1]. Поэтому эта методика может быть использована при решении задач по прогнозированию возможных последствий аварийных взрывов на любых потенциально опасных объектах.
Допустим, что в результате аварийной ситуации из системы хранения или транспортирования керосина марки РТ произошел разлив 25 м3 топлива, которое сконцентрировалось в яме, образовав зеркало жидкости площадью ¥ =100 м2. Температура окружающей среды 35 °С; атмосферное давление Р0 равно нормальному; плотность авиационного керосина марки РТ при 20 °С р20 по паспорту [2] составляет 779 кг/м3.
В руководстве [1] для топливовоздушных смесей заложены два сценария развития события, свя-
занные с аварийным взрывом. Первый вариант — объемная детонация горючей смеси, второй — объемная дефлаграментация.
Рассмотрим первый вариант объемной детонации керосиновоздушной смеси для наших гипотетических условий. Предполагается, что аварийный взрыв облака топливовоздушной смеси будет наземным. При этом принимается, что облако горючей смеси будет иметь форму полусферы объемом УТВС и радиусом г0, которые описываются формулами:
2240 % МтТ
V
ТВС
М- С стхТ 0
= 0,783^
ТВС >
(1)
(2)
где % — доля массы керосина, переходящего в облако топливовоздушной смеси; % = 0,05 [1]; Мт — масса исходного керосина; Т —температура окружающей среды, Т = 308 К;
0
стандартная температура, Т0 = 273 К
Сс
стх стехиометрическая концентрация керосина;
М — молекулярная масса керосина. Для нахождения массы разлитого керосина РТ Мт экспериментально определяли плотность керосина марки РТ при температуре 35 °С, которая
© Алексеев С. Г., Авдеев А. С., Барбин Н. М., Тимашев С. А., Гурьев Е. С., 2010
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19
37
составила 769 кг/м3. Отметим, что плотность нефтепродуктов при различных температурах с приемлемой точностью можно также рассчитать по уравнению [3]:
рг = р20 - а(t - 20) • 103
(3)
где а — поправочный коэффициент; для р20 = 779 кг/м3 а = 0,00080 [3]. Рассчитанная по (3) плотность р' = 767 кг/м3. Тогда масса исходного авиационного керосина Мт составит 19225 кг.
В руководстве [1] не приводятся данные по молекулярным массам и стехиометрическим концентрациям керосинов. Известно, что формула Воинова (4) с высокой точностью (порядка ± (2^3) %) позволяет находить средние молекулярные массы различных нефтепродуктов [3]:
|| = (40,28K -411,6) + (2,0977 - 0,2038K)TM + + (0,0003K -0,00245) T2,
(4)
где К — характеристический фактор, учитывающий природу нефтепродукта; Тм — среднемолекулярная температура кипения керосина, К.
Неизвестная нам среднемолекулярная температура кипения керосина РТ определена по алгоритму, изложенному в справочнике [3], через среднюю объемную температуру кипения с учетом данных паспорта качества на керосин РТ [2]:
TM = 273 + (tv - ai) = 454 К, где tv= 184 °С; рассчитана по методике [3];
(5)
ai
поправочный коэффициент;
для tv = 184 °С a1 = -3 °С [3]. Характеристический фактор K найден по уравнению (6) [3].
K = = 12,04,
15,6 рИ,6
(6)
.15,6
где р 15' 6 — плотность керосина при 15,6 °С; р 15,6 Р20 - 4,4a П77,. ,т.
р^6 =-^— = 0,7763 г/мл;
.15,6
4Î
р н,о
а — поправочный коэффициент (см. выше);
15,6 H,O
15,6 H,O
— плотность воды при 15,6 °С; = 0,99898 г/мл (найдена методом линей-
ной интерполяции литературных данных [5])]. Таким образом, средняя молекулярная масса р керосина РТ по формуле Воинова (4) составит 151,2 кг/кмоль. Анализ справочных данных по керосинам марок К0-20, КО-22, КО-25, JP-5, JP-7, JP-8 (Jet A/A1), RP-1 [4, 6] показывает, что они с удовлетворительной точностью могут быть описаны
общей брутто-формулой СпИ2п (где п ~ 8,5^16,0). Введем допущение, что авиационный керосин марки РТ также описывается брутто-формулой СпИ2п. Если учесть, что атомная масса углерода равна 12, а водорода— 1, то из составленного уравнения (7) вытекает, что п = 10,8:
12n + 2n =151,2.
(7)
Следовательно, керосин марки РТ можно ориентировочно описать общей формулой С10 8Н216.
Более точно брутто-формулу керосина РТ можно определить через его нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ). В ГОСТ 10227-86
[7] дан ряд характеристик пожарной опасности топ-лив для реактивных двигателей, включая и НКПВ (табл. 1). Анализ литературных данных по показателям пожаровзрывоопасности алканов и алкенов
[8] показывает, что с увеличением числа атомов в молекуле НКПВ уменьшается, а значение 1,5 % может соответствовать углеводородам с числом атомов углерода 4 или 5 (рис. 1). Таким образом, нормируемое значение 1,5 % для НКПВ керосина РТ вызывает большие сомнения. Более того, в паспорте на авиатопливо РТ нет данных по его пределам воспламенения [2]. Для нахождения НКПВ керосина РТ сведем в табл. 1 литературные данные по керосинам, полученные из отечественных источников [2, 4, 7-9] и карточек безопасности (Material Safety Data Sheet (MSDS)*) на керосин разных марок и различных производителей. Анализ данных табл. 1 показывает, что по физико-химическим свойствам и показателям пожарной опасности к отечественному керосину РТ наиболее близко авиатопливо марки Jet A/A1 (№ 11 в табл. 1). Отметим также, что при решении обратной задачи в исследовательской лаборатории ВВС США пришли к аналогичному выводу [6]. НКПВ керосина № 11 составляет 0,7 % (об.) (см. табл. 1). Следовательно, можно допустить, что НКПВ керосина РТ также будет равен 0,7 % (об.). Отметим также, что расчетная молекулярная масса керосина Jet A/A1 (153,3 кг/кмоль) очень близка к значению 151,2 кг/кмоль, полученному по формуле Воинова (4) для керосина РТ. Для углеводородов существует приближенная формула (8), которая связывает НКПВ с молекулярной массой вещества [10]. Прогноз НКПВ керосина РТ по этому уравнению также совпадает с нашим допущением:
Сн « 107/|i = 0,7%. (8)
Уравнение (9) [8] в интервале керосиновой фракции (С8 5-С16 0) дает возможность определять
На Западе на каждый материал производителем или продавцом составляется М808. М808 керосинов найдены с помощью тематического поиска в Интернете.
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19 №5
ю о
•4=
с4-
3
-1-
-♦-НКПВ алканов [8]
АД- —Л-НКПВ алканов (расчет) -■-■-■- НКПВ алкенов [8] —o- - - - НКПВ алкенов (расчет)
U
\\ \\
\\
S-&--£ i--C¡--í
О 2 4 6 8 10 12 14
Количество углеродных атомов в молекуле
Рис. 1. Зависимость НКПВ алканов и алкенов от длины углеродной цепи
16
18
20
НКПВ для алканов и алкенов (см. рис. 1) с точностью менее 0,1 %, что позволяет использовать его для вывода брутто-формулы керосина РТ.
Из формулы (9) находим, что коэффициент Р в реакции горения керосина РТ равен 15,91:
ñ н =
100
ар + I
(9)
где Сн — НКПВ; Сн = 0,7 %;
а и b — константы; а = 8,684, b = 4,679 [8]. То обстоятельство, что коэффициент р определяется либо из уравнения реакции горения, либо по формуле (10) [11], позволяет составить простую систему уравнений с двумя неизвестными (11). Решение ее дает уточненную брутто-формулу С10,95Н19,80 для керосина марки РТ, которая очень близка к американской формуле для керосина Jet A/A1 -C„H21 [6].
р = nc + ns + «Si + 2,5np + 0,25« - «гал) - 0,5no, (10)
где n¡ — количество г-атомов (С, S, Si, P, H и галогенов (Cl, Br, I, F) в молекуле;
15,91 = «c + 0,25n н 151,2 = 12«c + 1 «н
(11)
Анализ данных по стехиометрическим концентрациям индивидуальных горючих веществ, приведенных в руководстве [1], показывает, что они определены для реакции горения с сухим воздухом. Таким образом, стехиометрическая концентрация керосина РТ определяется по формуле
100
Ñ =
стх
1 + 4,76 р
= 1,30% (об.),
(12)
где Р — коэффициент в реакции горения перед кислородом; Р = 15,9.
По уравнениям (1) и (2) находим объем УТВС и радиус полусферы г0 керосиновоздушного облака, которые будут равны соответственно 12356,3 м3 и 18,0 м.
Для определения давления на фронте детонационной волны в области полусферы керосиновоз-душной смеси воспользуемся эмпирическим уравнением [1]:
АР деТ = 2,586 (у- 1) qm - р
0,
(13)
где у — безразмерный показатель адиабаты горючей смеси;
Ят—удельная массовая энергия взрыва, кДж/кг; Р0 — атмосферное давление; Р0 = 101 кПа. В руководстве [1] отсутствуют данные, характеризующие у и ят для керосина. Анализ приведенных в [1] значений этих характеристик для углеводородов показывает, что значения у лежат в пределах от 1,25 до 1,27, поэтому не будет большой ошибкой принять показатель адиабаты горючей смеси у для керосина равным 1,26. Безусловно, удельная энергия взрыва стехиометрической газо- или паровоздушной смеси связана с теплотой сгорания горючего вещества. В табл. 2 представлены справочные данные по удельным энергиям взрыва стехиомет-рических смесей углеводородов и бензина с воздухом [1] и высшим мольным теплотам сгорания [6]. Обнаружено, что мольная энергия взрыва я может быть рассчитана по эмпирическому уравнению
q = 0,0671ЯСг- 13,
(14)
где я — мольная энергия взрыва; я = (ят м)/1000; Нсг — высшая мольная теплота сгорания углеводорода.
Ошибка расчета я не превышает 10 %, заисклю-чением ацетилена (см. табл. 2). По уравнению (14)
ISSN 0869-7493 ППЖАРПВЗРЫВПБЕЗППАСНПСТЬ 2010 ТОМ 19 №5
39
Таблица 1. Свойства керосинов
№ п/п Торговая марка ц, кг/кмоль (брутто-формула) Плотность, г/мл Кинематическая вязкость, ммУс T °r КИП' т °c 1ВСП' т °с свс' КПВ, % (об.) Производитель(продавец) или литературный источник
1 ТС-1 (топливо для реактивных двигателей / Jet Fuel) высший сорт > 0,78020 > 1,3020; < 8-20 150-250 >28 - 1,5-8,0 [7]
2 ТС-1, 1-й сорт > 0,77520 > 1,2520; < S"20 150-250 >28 - 1,5-8,0 [7]
3 Т-1С (топливо для реактивных двигателей / Jet Fuel), высший сорт >0,81020 > 1,5020 150-280 >30 - 1,8-8,0 [7]
4 Т-1 (топливо для реактивных двигателей / Jet Fuel), 1-й сорт > 0,80020 > 1,5020 150-280 >30 - 1,8-8,0 [7]
5 Т-2 (топливо для реактивных двигателей / Jet Fuel), 1-й сорт > 0,75520 > 1,0520 60-280 - 1,0-6,8 [7]
6 РТ (топливо для реактивных двигателей / Jet Fuel), высший сорт > 0,75520 > 1,2520; < 8-20 135-280 >28 - 1,5-8,0 [7]
7 Керосин авиационный РТ 151,2 (C'10,95^19,80) 0,77920 0.77920 1,3120 146-205 43; 57; 52 (о.т.) 265 - [2]
8 Jet Fuel (Jet Fuel A) 0,8 1,640 160-300 38 210 0,7-4,0 Tesoro Refining & Marketing Co.
9 Shell Jet A-l with Aia 0,775-0,84015 <8-20 145-300 >43 210 0,7-5,0 Shell Canada Ltd
10 Shell Jet A-l 0,775-0,84015 <8-20 145-300 >43 210 0,7-5,0 Shell Canada Ltd
11 Jet Fuel A/A 1 0,75-0,80 - 140-300 38 210 0,7-5,0 Hess Co.
12 Jet A 0,8015 - 177-288 38-72 210 0,7-5,0 An Axel Johnson, Inc. Co.
13 Jet Fuels (Jet Fuel A) 0,79-0,8415'6 - 160-304,4 >37,8 204 0,7-7,0 Valero Marketing & Supply Co and Affiliates
14 Jet A 1 0,775-0,84015 1-240 150-300 >220 1-6 Shell New Zealand Ltd
15 Jet A1 0,78-0,8215 1-240 140-300 >38 -240 1-6 Total UK Ltd
16 Jet A with PFA 56 MB 0,775-0,84020 l,5-2,520 149-300 38-66 210 0,6-4,7 ConocoPhillips Ltd
17 Jet A 1 0,755-0,84015 g-20 До 300 >38 - 0,7-5,0 Pertamina Aviation
18 JP-8 (Jet А/ Jet A-l) 153,3 (CnH21) 0,8115'6 - 166-267 53 - - [6]
19 JP-8 Aviation Turbine Fuel 0,8015'6 - - >46 - 0,7-5,0 ConocoPhillips Ltd
20 JP-8 0,755-0,8415 g-20 160-300 >38 210 0,7-5,0 Western Refining
№ п/п Торговая марка ц, кг/кмоль (брутто-формула) Плотность, г/мл Кинематическая вязкость, ммУс Т °с кип' ^ т °с 1ВСП' т °с свс' КПВ, % (об.) Производитель(продавец) или литературный источник
21 JP-8 Aviation Turbine Fuel - - 1,9820 - 46 - 0,7-5,0 Chevron Phillips Chemical Co. Ltd
22 Jet Fuel JP8 - 0,75-0,80 - 140-300 38 210 0,7-5,0 Hess Co.
23 Irving Jet Fuel JP8 - 0,78-0,8415 - 157-261 38-72 210 0,7-5,0 Irving Oil Ltd
24 Aviation Gasoline 100LL - 0,7115 0,620 70-170 -42 439 1,4-7,6 Imperial Oil
25 JP4 119,2 (C8,5H17) 0,7615'6 - 60-238 -23 - - [6]
26 Jet Fuel JP4 - 0,75-0,80 - 57-270 -23 ... -1 240 1,3-8,0 Hess Co.
27 Aviation Gasoline - 0,65-0,7515 < I37-8 60-170 -46 440 1,2-7,0 Chevron Global Aviation
28 Aviation Gasoline - 0,65-0,7515 < I37-8 60-170 -46 440 1,2-7,0 Western Refining
29 Marathon Aviation Turbine Fuel Jet A 3000 ppm Sulfur Max 180 0,812 1,3-2,150 182-288 49-88 254 0,7-5,0 Marathon Petroleum Co.
30 Marathon Aviation Turbine Fuel Jet A 500 ppm Sulfur Max 180 0,810 1,3-2,150 182-288 49-88 254 0,7-5,0 Marathon Petroleum Co.
31 Marathon Aviation Turbine Fuel Jet A W/Deicer 3000 ppm Sulfur Max 180 0,810 1,3-2,150 182-288 49-88 254 0,7-5,0 Marathon Petroleum Co.
32 Jet Fuel JP-5 - 0,80 - - >60 246 0,7-5,0 Hess Co.
33 Kerosene -Type Aviation Turbine Fuel - 0,82-0,85 - 160-300 >38 240 0,8-7,0 Ultramar Ltd
34 Aviation Turbine Fuel - 0,75-0,8415 g-20 160-300 38 210 0,7-5,0 Chevron Global Aviation
35 Aviation Kerosene - 0,775-0,82015 220 150-300 >38 250 0,5-6,0 ConocoPhillips Ltd
36 Aviation Turbine Fuel - 0,75-0,8415 g-20 160-300 >38 210 0,7-5,0 Western Refining
37 Jet Fuel JP-5 - 0,80 - - >60 246 0,7-5,0 Hovensa LLC
38 Kerosene — Dual Purpose (Kl, Aviation Fuel) - 0,810 1,64° 160-300 38-41 210 0,6-8,6 Tesoro Petroleum Co.
39 Regular Kerosene (Lamp oil, Jet-A-1) - 0,775-0,82015 1-220 150-290 >38 250 0,5-6,0 Irish Refining Ltd
40 Fuel Oil № 1 (Kerosene, Jet A-l) 168 - 0,835-0,850 - - 38-72 0,7-5,0 Petro Star Inc.
41 S-8 Synthetic Jet Fuel - 0,76 1,2-1,940 127-288 38-52 210 - Syntroleum Co.
42 S-5 Synthetic Jet Fuel - 0,76 1,2-1,940 127-288 >60 210 - Syntroleum Co.
43 Kerosene Deodorized - 0,78 - 171-274 77 232 0,7-6,0 Science Stuff, Inc.
44 Commercial Kerosene - - - <300 >38 229 0,7-5,0 Shell Canada Ltd
№ п/п Торговая марка ц, кг/кмоль (брутто-формула) Плотность, г/мл Кинематическая вязкость, мм Ye T °c кип' ^ T °c 1 ВСП' T °c CBC' КПВ, % (об.) Производитель(продавец) или литературный источник
45 Shell* 1-К Kerosene - 0,775-0,84015 1-240 <300 >38 229 0,7-5,0 Shell Canada Ltd
46 Shell* Kerosene Marked - 0,775-0,84015 1-240 <300 >38 229 0,7-5,0 Shell Canada Ltd
47 SSA K-l Kerosene 180 0,81 - 182-288 49-88 254 0,7-5,0 Superamerica LLC
48 Marathon K-l Kerosene 500 ppm Sulfur Max 180 0,81 1,3-2,150 182-288 49-88 254 0,7-5,0 Marathon Petroleum Co.
49 Marathon K-l Kerosene 400 ppm Sulfur Max 180 0,81 1,3-2,150 182-288 49-88 254 0,7-5,0 Marathon Petroleum Co.
50 K-l and K-2 Kerosene - 0,79-0,85 - 149-304 >38 210 0,7-5,0 Hess Co.
51 Kerosene (IK Kerosene) - 0,775-0,840 l,0-2,440 149-300 38-66 210 0,7-7,0 ConocoPhillips Ltd
52 Kerosene (IK Kerosene) - 0,8 - > 149 52 - 0,7-5,0 Farmland Industries Inc.
53 Kerosene (petroleum) - 0,7815 2,040 150-300 >38 190 0,6-6,0 Consols Oils
54 LS Dyed Kerosene K-l - 0,816 1,237'7 <268 52 193 0,5-4,4 Motiva Enterprises LLC
55 Fuel Oil № 1 (Kerosene) - 0,8 1,340 151-301 >49 210 0,7-5,0 Western Refining
56 Fuel Oil № 1 (Kerosene) - 0,8 - > 151 85 210 0,7-5,0 Spectrum Chemical MFG Co.
57 Coleman®1 Kerosene - 0,8515'6 1,237'7 163-274 55 249 0,5-4,4 HOC Industries Inc.
58 Kerosene - 0,785-0,800 1,240 145-300 38-44 350 0,58-4,45 Atlantic Lubricants Pty Ltd
59 Kerosene (K-l Kerosene, K-2 Kerosene) - 0,7-0,915'6 - 104-304 10-104 204 0,7-6,0 Valero Marketing & Supply Co and Affiliates
60 Golf Premium Grade Kerosene - <805 - 150-280 >46 - 0,6-6,5 Golf Petroleum
61 Golf Standard Grade Kerosene - <820 - 150-300 >38 - 0,6-6,5 Golf Petroleum
62 Phillips Kerosene - 0,775-0,840 l,0-2,440 149-300 38-66 210 0,7-7,0 ConocoPhillips Ltd
63 Shell Blue Pennat Kerosene - 0,8015 - 160-280 >38 230 1,0-6,0 Shell New Zealand Ltd
64 Low Sulfur Diesel-S15 (Hydrodesulfurized kerosene) - <0,881 - 160-370 257 0,7-5,0 Nova Chemicals
65 Kerosene (Fuel Oil № 1) - 0,80-0,81 1,0-1,940 151-301 >37,8 210 0,7-5,0 VEE GEE Scientific Inc
66 Kerosene (Low Odor) ~ 170 0,80 - 175-325 38 210 0,7-5,0 Mallinckrodt Baker Inc.
67 Kerosene - 0,81 - 177-300 >51,7 - 0,7 Sunnyside Co.
Окончание табл. 1
№ п/п Торговая марка ц, кг/кмоль (брутто-формула) Плотность, г/мл Кинематическая вязкость, мм Ye Т °с КПП' ^ т °с 1ВСП' т °с свс' КПВ, % (об.) Производитель(продавец) или литературный источник
68 Kerosene Heater Fuel 179,8 0,80-0,8216 1,4640 188-243 61 250 0,7-5,4 Lamplight
69 Kerosene (Kl) - 0,8 - 160-300 38-41 210 0,7-4 Tesoro Refining & Marketing Co.
70 Kerosene - 0,775-0,840 - 149-325 38 210 0,7-5(7) Sciencelab.com Inc.
71 Керосин осветительный KO-20 191,7 (Ci3 595Н26 860) - - - >40 227 0,55 [4, 9]
72 KO-20 - 0,792 - 236 55; 68 (о.т.) 227 0,6 [8]
73 Керосин осветительный КО-22 153,1 (Cl0i914H2lig32) - - - >40 245 0,64 [4, 9]
74 КО-22 - - - 184 46; 50 (о.т.) 245 0,7 [8]
75 Керосин осветительный КО-25 154,7 (C12 Q54H22 752) - - - >40 236 0,66 [4, 9]
76 КО-25 - - - 189 46; 50 (о.т.) 236 0,9 [8]
77 АВТМ - 0,781 - - 30; 53 (о.т.) 420 - [8]
78 Осветительный марки А - 0,792 - - 57 (о.т.) 238 - [8]
79 Сульфированный - 0,810 - - 51 235 - [8]
80 Тракторный - 0,809-0,823 - - 4-28 250-290 1,0 [8]
Примечания:
1. В степени указана температура в градусах Цельсия, при которой определен показатель. Если степень отсутствует, то неизвестно, при какой температуре определен показатель. Наиболее вероятно, что эти показатели были определены при температуре 60 Б (15,6 °С), которая за рубежом часто выступает в качестве реперной точки.
2. Сравнение отечественных и зарубежных данных по температуре самовоспламенения различных веществ (алканы, спирты, галогеналканы и др.) показывает, что результаты, полученные по ГОСТ 12.1.044-89, характеризуются "завышенными" значениями.
3. Курсивом выделены показатели, определенные авторами.
Таблица 2. Энергетические характеристики углеводородов
Л = 1 - (2Р/Рдет)'
,(у -1)/у.
(16)
Цт, кг ЯСг, кДж ц, кДж/моль Ошибка, %
Углеводород кДж моль ЦтЦ Расчет
кг кмоль [12] 1000
Метан 2763 16 882 44 46,2 4,5
Этан 2797 30 1541 84 90,4 7,8
Пропан 2801 44 2202 123 134,8 9,3
Бутан 2776 58 2657 161 165,3 2,7
Ацетилен 3387 26 1305 88 74,6 15,3
Этилен 3010 28 1395 84 80,6 4,4
Пропилен 2922 42 2051 123 124,6 1,5
Бутилен 2892 56 2717 162 169,3 4,6
Бензол 2937 78 3273 229 206,6 9,8
Толуол 2843 92 3909 262 249,3 4,7
Циклогексан 2797 84 3924 235 250,3 6,5
Бензин 2973 98,2 45731,2) 292 293,8 0,6
Керосин РТ 29902) 152,12) 69323) - 452,1
1) Высшая мольная теплота сгорания бензина рассчитана через низшую удельную теплоту сгорания бензина АИ-93 [4] по формуле Менделеева [13] с последующим переходом от удельной к мольной теплоте сгорания. 2) Рассчитано авторами. 3) Расчет низшей теплоты сгорания керосина РТ по рекомендованной в ГОСТ 10227-86* методике [14] дает значение, равное 42,1 МДж/кг, а по формуле Менделеева [13] — 42,9 МДж/кг. Последний результат близок к нормативному значению низшей удельной теплоты сгорания для керосина РТ (43,1 МДж/кг [7]), поэтому расчеты высших теплот сгорания бензина и керосина РТ выполнены по методу Менделеева [13].
расчетное значение мольной энергии взрыва ц для керосина марки РТ составит 452,1 кДж/моль, следовательно, его удельная энергия взрыва цт будет равна 2990 кДж/кг.
Полученные данные позволяют по формуле (13) определить избыточное давление на фронте детонационной волны в области полусферы керосиновоз-душной смеси АРдет, которое составляет 1910 кПа.
В результате детонации керосиновоздушного облака возникает воздушная ударная волна (ВУВ), которая характеризуется амплитудой избыточного давления во фронте волны АРф и длительностью фазы сжатия ВУВ т+. Параметры АРф и т+ являются функциями энергии взрыва Еув и расстояния Я. Для расчета Еуе руководство предлагает формулу (15), где доля полной энергии взрыва, перешедшей в ВУВ, л рассчитывается по формуле (16) [1]. В нашем случае доля полной энергии взрыва л составляет 0,38.
ЕУв = 2л Цу Ктвс, (15)
где — удельная объемная энергия взрыва стехио-метрической смеси керосина с воздухом.
Рдет — давление на фронте детонационной волны; Рдет = 2,586(у - 1)цт = 2011 кПа [1]. Для расчета удельной объемной энергии взрыва необходимо знать плотность стехиометрической смеси паров керосина РТ при атмосферном давлении 101 кПа и температуре 35 °С. Для этого по формуле (17) [3] определяем плотности паров керосина и воздуха:
273ц Р
Р г =
22,4 • 98 Г
(17)
При температуре t и давлении п (Па) плотность газа (кг/м3) может быть найдена по формуле М 273 п
Р г =
22,4 t + 273 0,98 • 105
или
Р г =
273
Мп
22,4 Т • 0,98 • 105
Затем с учетом стехиометрической концентрации керосина (см. уравнение (12)) находим плотность паров стехиометрической смеси паров керосина при заданных условиях: р^ = 1,278 кг/м3. Найденная плотность р ^ позволяет перейти от цт керосина к его удельной объемной энергии взрыва стехиометрической смеси (цу = 3821 кДж/м3).
Таким образом, энергия взрыва, перешедшая в ВУВ,Еув по уравнению (15) составит 3,57 104 МДж.
В результате детонации керосиновоздушного облака за его пределами распространяется ВУВ, которая характеризуется амплитудой избыточного давления на фронте ВУВ АРф и длительностью фазы ее сжатия т+. Параметры АРф и т+ определены по уравнениям (19) - (23) в зависимости от приведенных расстояний Япр (м/кДж), которые вычислены по формуле (18) [1]. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
Япр = Я(Еув)-1/3, (18)
где Я—расстояние от керосиновоздушного облака, м.
При 0,05 < Япр < 0,068:
АРф = (1,227'Ю-6)/Япр4,68 + 0,49. (19)
При 0,068 < Япр < 0,31:
АРф = 4,156/Я!пр7 . (20)
При Япр >0,31: АРф = 4,96/Я пр + 0,974/Я пр + 0,146/я ^ . (21)
При 0,052 < Япр < 0,434:
т+ = 0,323(Япр)0,5(Еув)1/3. (22)
При Япр > 0,434:
т+ = 0,0209(Япр)0,5(Еув)1/3(6,634 - Япр)1,5. (23)
44
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19
Из табл. 3 видно, что уравнения (19) - (23) начинают работать с расстояния 17 м от керосиновоз-душного облака. Таким образом, рассматриваемая методика [1] не позволяет ответить на вопрос, какие значения ДРф и т+ ВУВ будут достигаться в 16-метровой зоне, прилегающей к полусферическому облаку керосиновоздушной смеси. Выявлено, что уравнение (19) работает в интервале расстояний Я от 17 до 22 м и при этом дает аномальные значения ДРф, что, вероятно, связано с внутренней ошибкой уравнения (19). Для нашего случая ДРф и т+ могут быть описаны эмпирическими уравнениями:
ДРф = 1024,1Я 0,6876 (г2 = 0,9952);
т+ = -8-10-10Я4 + 2-10-6Я3-
(24)
-0,0013Я2 + 0,482Я + 14,993 (г2 = 0,9992). (25)
Уравнение (25) действует только на отрезке от 21 до 650 м. Отметим, что характер изменения т+ с расстояния Я 650 и 700 м начинает заметно менять свой вид от плавного повышения к плавному снижению значения длительности фазы сжатия ВУВ т+ (см. табл. 3), что, вероятно, связано с неизвестными ограничениями уравнения (25).
Напрямую руководство [1] не позволяет провести оценку последствий взрыва топливовоздушных смесей в режиме детонации, поэтому с учетом приложения 3 документа [1] составим табл. 4, в которой отразим последствия взрыва от избыточного давления на фронте ВУВ ДРф тринитротолуола. При взрыве в режиме детонации основным параметром действия ВУВ является ДРф, следовательно, данные табл. 4 красноречиво иллюстрируют последствия детонационного взрыва керосиновоз-душной смеси в результате разлива 25 м3 керосина на площади 100 м2.
Под действием ветра керосиновоздушое облако переносится от центра его образования на расстояние ДЬ (м), которое определяется по уравнению
ДЬ = 0,44г0 /а17 к , (26)
где г0 — радиус полусферы керосиновоздушого облака;
а и к — коэффициенты, учитывающие состояние атмосферы в зависимости от класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу. Для наших условий задачи наиболее подходят классы устойчивости атмосферы А (очень сильно развитая конвекция, солнечно и жарко, скорость ветра 1 м/с) и В (неустойчивое состояние, умеренная конвекция, солнечно и тепло, скорость ветра 2 м/с); тогда а = 0,43 и к = 0,89 для класса А и а = 0,26 и к = 0,92 для класса В [1]. По формуле (26) для класса А ДЬ = 20,4 м, для класса В ДЬ = 34,2 м.
Таблица 3. Значения амплитуды избыточного давления ДРф и длительности фазы сжатия ВУВ т+ в зависимости от расстояния Я и приведенного расстояния Япр
Я, м Ку м/кДж ДРф, кПа т+, м-с
16 0,049 - -
17 0,052 1,8 21,46
20 0,061 1,1 23,28
23 0,070 383,3 24,96
30 0,091 244,0 28,51
40 0,121 149,6 32,92
50 0,152 102,4 36,80
60 0,182 75,1 40,32
70 0,213 57,8 43,55
80 0,243 46,0 46,55
90 0,273 37,7 49,38
100 0,304 31,5 52,05
103 0,313 30,6 52,82
120 0,364 24,0 57,02
144 0,437 18,2 62,34
150 0,456 17,1 63,35
200 0,607 11,5 70,47
250 0,759 8,6 75,82
300 0,911 6,8 79,86
350 1,063 5,6 82,85
400 1,215 4,8 84,97
450 1,367 4,2 86,37
500 1,519 3,7 87,13
550 1,670 3,3 87,34
600 1,822 3,0 87,07
650 1,974 2,8 86,37
700 2,126 2,6 85,29
750 2,278 2,4 83,86
800 2,430 2,2 82,12
Примечание. Полужирным выделены аномальные получаемые при использовании уравне-
значения ДР,
ния (19).
ф,
При оценке последствий взрыва топливовоз-душной смеси с учетом атмосферных условий следует делать поправку на расстояние ДЬ согласно системе уравнений
Я - ДЬ если Я > ДЬ; 0 если Я < ДЬ.
(27)
В отличие от детонационного взрыва паровоздушной смеси дефлаграционный взрыв генерирует ВУВ, существенно меньшую по амплитуде, но большую по длительности. Поскольку нагрузки от ВУВ дефлаграционного взрыва воспринимаются строительными конструкциями как квазистатические,
г=
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗаПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19
45
Таблица 4. Классификация разрушений и повреждений при взрыве топливовоздушной смеси в зависимости от ДРф
ДРт(Д), кПа
R, м Рф, кПа Характер разрушений и повреждений [1]
45 100 Разрыв легких человека
50 70 Разрушение стен из армированного бетона, серьезное повреждение машин в производственных зданиях
65 50 Переворачивание железнодорожных вагонов
75 40 Полное разрушение жилых зданий
90 30 Разрушение опор
120 20 Разрушение легких построек с металлическим каркасом; разрыв легких стальных рам
140 16 Разрушение на 50 % жилых домов; нижний предел серьезных разрушений конструкций
154 14 Частичное обрушение стен и черепичной кровли
197 10 Повреждение и разрушение стекол
260 7 Частичное повреждение жилых домов; полное разрушение стекол
420 4 Разрушение стекол на 75 %, разрушение оконных рам
540 3 Очень легкие повреждения конструкций
630 2,5 Разрушение стекол на 50 %; предел мелких разрушений
800 2 Разрушение стекол на 25 %
основным параметром оценки будет зависимость максимального давления от расстояния за пределами топливовоздушного облака.
Зависимость ДРт (Я) для наземного дефлагра-ционного взрыва полусферического облака горючей смеси рассчитывается по формуле
APm (R) =
1 + G(R/Rnr - 1)
H
при R > Rnr, (28)
где ДРтах — максимальное избыточное давление ВУВ в пределах облака; ДРтах = 46,2 кПа;
ДР = 21Р (Ща0)2 ■ ^тах - 2,1Р0 , / ;
1 + ща 0
щ — скорость фронта пламени; щ = 200 м/с; а0 — скорость звука в воздухе при нормальных условиях;а0 = 340 м/с; О, Н —константы; О = 0,467; Н = 1,14 [1];
Rnr = 0,78 3 4 +
4C, С
2240хМтТ
й С НТ о
Rnr = 40,6 м;
СН — НКПВ; СН = 0,7 %.
R, м
Рис. 2. Зависимость избыточного давления при дефлаг-рационном взрыве керосиновоздушной смеси в зависимости от расстояния
Результаты расчета представлены на рис. 2. Зависимость ДРт (Я) для нашего случая может быть описана уравнением
2092 5
AP = при R > 40,6 м (г2 =
R
0,9632
0,99336). (29)
Сравнение рис. 2 с данными табл. 4 дает полное представление о возможной картине разрушений и повреждений в результате дефлаграционного взрыва керосиновоздушной смеси для заданных условий задачи.
В заключение отметим, что РБ Г-05-039-96 [1] дает возможность проводить оценку последствий взрыва топливовоздушных смесей для двух режимов (детонации и дефлаграментации), что, безусловно, является достоинством данной методики. Однако информация о характеристиках, необходимых для расчетов, охватывает небольшой круг индивидуальных веществ (всего 19 соединений) и бензин, что резко ограничивает сферу применения данного руководства. Кроме того, в документе имеется ряд неточностей: например, стехиометрические концентрации, молекулярные массы ряда веществ указаны неверно; некоторые НКПВ соединений отличаются от справочных данных [8]; на диаграммах не приводятся единицы измерения. Для топливоз-душных смесей нет примеров полного расчета по предлагаемой методике. Алгоритм оценки полученных результатов расчетов также отсутствует. Наконец, за рамками данной методики осталось тепловое воздействие объемного взрыва топливоз-душных смесей. Все это препятствует широкому
применению данного руководства.
***
Работа выполняется по целевой программе научных исследований УрО РАН по проекту "Природные и техногенные катастрофы ". Регистрационный номер проекта 09-С-2-1014.
46
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РБ Г-05-039-96. Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического воздействия. — М. : НТЦ ЯРБ Госатомнадзора России, 2000.
2. Паспорт на авиатопливо РТ № 157 от 30.04.2009 / Лаборатория ГСМ (г. Пермь, аэропорт Б. Савино-1).
3. Стекольщиков M. Н. Углеводородные растворители. Свойства, производство, применение : справочное изд. — М. : Химия, 1986.
4. Пособие по применению НПБ 105-95 "Определение категорий помещений и зданий по взры-вопожарной и пожарной опасности" при рассмотрении проектно-сметной документации // Сборник НСИС ПБ. — 2007. — № 3 (31) [электронный ресурс].
5. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. К. П. Мищенко, А. А. Равделя. — Л. : Химия, 1972.
6. Edwards T. "Kerosene" Fuels Aerospase Propulsion — Composition and Properties // Proc. the 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf. (7-10 July 2002). — Indianapolis (USA) : American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2002. — P. 1-11.
7. ГОСТ 10227-86*. Топлива для реактивных двигателей. Технические условия. — Введ. 1987-01-01. — М. : Стандартинформ, 2005.
8. Баратов А. Н., Корольченко А. Я., Кравчук Г. Н. и др. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справоч. изд. : в 2 кн. / Под ред. А. Н. Баратова и А. Я. Корольченко. — М. : Химия, 1990. — Кн.1и 2.
9. ВНТП 05-97. Определение категорий помещений и зданий предприятий и объектов железнодорожного транспорта по взрывопожарной и пожарной опасности : приняты указанием МПС России от 19 марта 1997 г. № Г-348 у : ввод. в действие с 1 августа 1997 г. [электронный ресурс]. URL : http://www.exd.ru/gosts/normativi/vntp%20%2005-97.pdf (дата обращения 01.12.2009).
10. Zabetakis M. G. Flammability Characteristics of Combustible Gases and Vapors. — Washington : U. S. Dept. of the Interior, Bureau of Mines, 1965.
11. Шебеко Ю. Н., Навценя В. Ю., Копылов С. Н. и др. Расчет основных показателей пожаро-взрывоопасности веществ и материалов : руководство. — М. : ВНИИПО, 2002.
12. Рабинович В. А., Хавин 3. Я. Краткий химический справочник. — Изд. 2-е, испр. и доп. — Л. : Химия, 1978.
13. Справочник химика / Под. ред. Б. И. Никольского, О. Н. Григорова, М. Е. Позина и др. — Л. : Химия, 1967. — Т. 6.
14. ГОСТ 11065-90 (СТ СЭВ 6753-89). Топливо для реактивных двигателей. Расчетный метод определения низшей удельной теплоты сгорания. — Введ. 1991-07-01 [электронный ресурс]. URL : http://www.complexdoc.ru (дата обращения 01.12.2009).
Материал поступил в редакцию 9 апреля 2010 г.
Электронные адреса авторов: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected].
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №5
47
