CC BY
72
С. Г. АЛЕКСЕЕВ, канд. хим. наук, доцент, начальник отдела Уральского института ГПС МЧС РФ, г. Екатеринбург, Россия А. С. АВДЕЕВ, начальник сектора ГУ Судебно-экспертное учреждение ФПС "Испытательная пожарная лаборатория по Пермскому краю", г. Пермь, Россия Н. М. БАРБИН, д-р техн. наук, канд. хим. наук, заведующий кафедрой Уральского института ГПС МЧС РФ, 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 Е. С. ГУРЬЕВ, канд. техн. наук, доцент, заместитель директора Научно-инженерного центра "Надежность и ресурс больших систем и машин" УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия
УДК 614.84:665.74
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНОСТИ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ НА ПРИМЕРЕ КЕРОСИНА МАРКИ РТ. IV. ГОСТ Р 12.3.047-98*
Проведен расчет параметров взрыва топливовоздушной смеси по ГОСТ Р 12.3.047—98 на примере керосина РТ. Выявлены возможности и недостатки методики ГОСТ Р 12.3.047—98. Ключевые слова: взрыв; керосин; топливовоздушная смесь; избыточное давление.
В этой работе продолжено рассмотрение возможностей существующих методик оценки взрывопожаро-опасности топливовоздушных смесей (TBC) на примере авиационного керосина марки PT. Объектом настоящего исследования явилась методика расчета, представленная в ГОСТ P 12.3.047-98 [1]. Отметим, что данный ГОСТ попал в перечень национальных стандартов, необходимых для применения и исполнения "Технического регламента о требованиях пожарной безопасности" [2-4].
Область применения данного национального стандарта допускает возможность рассмотрения и нашей гипотетической аварийной ситуации, связанной с разливом керосина марки PT [5-7]. Свойства керосина PT представлены в табл. 1.
B нормативном документе [1] предполагается, что газо- и паровоздушное облако горючей смеси имеет форму цилиндра с размерамиХнкпв и ZHKnB:
s0,8/ N0,33
; (1)
X нкпв = 3,2л/К|
Р н
С
нкпв
¿нкпв = 0,12л/к I СРн_ V С нкпв
0,8
Р п Р н
Шп
Р п Р н
0,33
(2)
где К — коэффициент; для ЛВЖ К = Г/3600 = 1; Т — время свободного испарения керосина; Т =3600 с [1];
рн — давление насыщенных паров (см. табл. 1);
* продолжение. начало см. в журнале "пожаровзрывобезопас-ность", № 5 за 2010 г., № 1 за 2011 г., № 1 за 2012 г.
СНКПВ — нижний концентрационный предел воспламенения (см. табл. 1);
тп — масса паров керосина, поступившего в открытое пространство при аварийной ситуации за 3600 с, кг;
Таблица 1. Свойства авиакеросина РТ [5—9]
Показатель Значение
Брутто-формула С10,95н19,80
Молекулярная масса М, кг/кмоль 151,2a
Плотность жидкости, кг/м3:
при 20 °С 779
при 35 °С 769
НКПВ СНКПВ, % об. 0,7a
НКПВ СН]шВ, кг/м3 4,18-10-2 a
Стехиометрическая концентрация Сс1х, % об. 1,3",б
Масса керосина, кг 19225
Низшая теплота сгорания, МДж/кг 42,9а
Температура начала перегонки, °С 146
Температура отгона, °С:
10% 164
50% 177
90% 191
98% 205
Давление насыщенных паров рн при 35 °С, кПа 9,33
а Расчетные данные. б в сухом воздухе.
© Алексеев С. Г., Авдеев А. С., Барбин Н. М., Тимашев С. А., Гурьев Е. С., 2012
34
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №6
рп — плотность паров керосина при 35 °С, кг/м3;
р п =-—-= 5,9912 кг/м3;
п V0 (1 + 0,003671p) '
—— молекулярная масса керосина (см. табл. 1);
V0 = 22,413 м3/кмоль [1];
?р — расчетная аварийная температура; ?р =
= 35 °С [5-7].
Способ определения массы паров керосина тп, изложенный в ГОСТ Р 12.3.047-98 [1], аналогичен методу, приведенному в СП 12.13130.2009 [10]. Ранее для нашей задачи было найдено, что тп = 41,4 кг [7]. Размеры облака ТВС ХНКПВ и ZHKnB (высота) составляют соответственно 23,01 и 0,86 м. С учетом того что ХНКПВ — это радиус от источника паров ЛВЖ (а в нашем случае источником горючих паров является зеркало розлива авиакеросина с радиусом г1 = = 5,64 м [6]), радиус облака ТВС составит: 23,01 + + 5,64 = 28,65 м. Концентрация паров керосина в этом облаке будет равна 1,8610-2 кг/м3, что в 2,246 раза меньше его НКПВ (4,1810-2 кг/м3)*. Таким образом, можно констатировать, что комбинация уравнений (1) и (2) не отражает реальных размеров облака ТВС с концентрацией паров, равной НКПВ.
Найдено, что уменьшение высоты облака £НКПВ в 2,246 раза приводит к концентрации горючих паров в облаке ТВС, равной НКПВ, поэтому будем считать в нашей гипотетической аварийной ситуации, что радиус и высота цилиндрического облака ТВС составляют соответственно 28,65 и 0,384 м.
Методики расчета интенсивности теплового излучения и параметров волны давления при сгорании ТВС в ГОСТ Р 12.3.047-98 [1] и СП 12.13130.2009 [10] идентичны, поэтому здесь ограничимся приведением результатов выполненных ранее по СП 12.13130.2009 расчетов (табл. 2 и 3) [7].
С помощью приведенной в [1] градации термических поражений в зависимости от интенсивности теплового излучения q выполнена оценка опасности от данного фактора пожара (табл. 4).
Ранее нами уже отмечалось, что уравнение (3) в радиусе3мотгеометрического центра облака ТВС дает аномальные значения избыточного давления взрыва (вспышки) — более 1 МПа (см. табл. 3), тогда как для углеводородно-воздушных смесей в помещении оно не превышает 0,6-0,8 МПа [7]. Установлено также, что "мертвая зона" уравнения (3) для нашей задачи составляет 12,87 м [7]:
Таблица 2. Расчетные значения интенсивности теплового излучения q при сгорании ТВС
АР = Pr
0,8m
0,33 пр
3m
0,66 пр
5m
пр
(3)
где Р0 — атмосферное давление; Р0 = 101 кПа [1];
* Если пренебречь увеличением радиуса облака ТВС за счет радиуса rl, то и в этом случае концентрация горючих паров будет почти в 1,5 раза меньше НКПВ.
r, м q, кВт/м2 r, м q, кВт/м2
6 22,02 35 0,11
7 13,12 40 0,07
8 9,09 45 0,05
9 6,62 50 0,04
10 4,95 55 0,03
10,78 4,00 60 0,02
15 1,50 65 0,02
20 0,62 70 0,01
25 0,31 75 0,01
30 0,18 100 0,00
Примечание. r — радиус геометрического центра облака ТВС.
Таблица 3. Избыточное давление АР и импульс i волны давления взрыва ТВС в зависимости от расстояния г
r, м АР, кПа i, Пас r, м АР, кПа i, Пас r, м АР, кПа i, Пас
1 23535,6 1387,4 17 31,8 81,6 85 3,7 16,3
2 3470,9 6937 18 29,0 77,1 90 3,5 15,4
3 1205,3 4625 19 26,6 73,0 100 3,1 13,9
4 591,6 346,9 20 24,6 69,4 105 2,9 13,2
5 3498 2775 23,4 19,4 59,3 110 2,8 12,6
6 З^ 25 17,6 55,5 115 2,6 12,1
7 1664 30 13,6 46,2 120 2,5 11,6
8 1734 35 11,0 39,6 125 2,4 11,1
9 99ф 154,2 40 9,2 34,7 130 2,3 10,7
10 81 2 1387 45 7,9 30,8 135 2,2 10,3
11 67 8 4З64 50 7,0 27,7 140 2,1 9,9
12 578 1436 55 6,2 25,2 145 2,0 9,6
12,88 51,0 107,7 60 5,6 23,1 150 2,0 9,2
13 50,1 106,7 65 5,1 21,3 151 2,0 9,2
14 44,1 99,1 70 4,6 19,8 152 1,9 9,1
15 39,2 92,5 75 4,3 18,5 155 1,9 9,0
16 35,2 86,7 80 4,0 17,3 160 1,8 8,7
Примечание. Зачеркнутые значения попадают в "мертвую зону" уравнения (3).
тпр — приведенная масса паров керосина; тпр = = 39,3 кг [7].
В национальном стандарте [1] приведена классификация разрушений под действием избыточного давления, с помощью которой сделан прогноз последствий взрыва (вспышки) ТВС для нашей задачи (табл. 5).
В ГОСТ Р 12.3.047-98 [1] и СП 12.13130.2009 [10] используется пробит-функция Pr1 для оценки
r
r
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №6
35
Таблица 4. Радиус поражения от теплового излучения пожара ТВС
Таблица 5. Радиус поражения от избыточного давления при сгорании ТВС
вероятности поражения людей от воздействия избыточного давления [1, 10]:
Рг1 = 5 - 0,26 1п Кь (4)
где V = (1750/ДР)8'4 + (290/г)9'3.
Нами уже отмечалось [7], что результаты, полученные по уравнению (4), противоречат данным расчета, приведенным в табл. 3 и 5, что ставит под сомнение возможность применения уравнения (4) для оценки взрывоопасности ТВС. Заметим также, что та же самая пробит-функция Рг1 в РД 03-409-01 [11] используется уже для определения вероятности повреждений стен промышленных зданий, при которых возможно восстановление зданий без их сноса.
В рассматриваемом ГОСТе [1] используется также пробит-функция Рг2 для определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением при пожаре :
Рг2 = -14,9 + 2,56 М^1'33), (5)
где t — эффективное время экспозиции, с; 1 = 10 + х/и;
to — характерное время обнаружения пожара; г0 = 5 с [1];
х — расстояние от местонахождения человека до зоны, где интенсивность теплового излучения не превышает 4 кВт/м2,м; х = 10,78 м (см. табл. 2); и—скорость движения человека, м/с; и = 5м/с[1]; q — интенсивность теплового излучения, кВт/м2 (см. табл. 2).
Для нашей задачи условная вероятность поражения человека тепловым излучением, найденная через пробит-функцию Рг2, равна нулю. Этот результат вступает в противоречие с данными, приведенными в табл. 4.
В заключение отметим, что ГОСТ Р 12.3.047-98 [1] может применяться при прогнозировании взры-вопожароопасности аварийных ситуаций, связанных с образованием ТВС, однако результаты расчетов потребуют дополнительных проверок на их допустимость.
* В СП 12.13130.2009 [10] пробит-функция Рг2 также присутствует, однако первое слагаемое равно не -14,9, а -12,8.
Степень поражения Избыточное давление, кПа Радиус, м
Полное разрушение зданий 100 8 98
50 %-ное разрушение зданий 53 4-260
Средние повреждения зданий 28 18,43
Умеренные повреждения зданий (повреждение внутренних перегородок, рам, дверей и т. п.) 12 32,92
Нижний порог поражения человека волной давления 5 66,17
Малые повреждения зданий (разбита часть остекления) 3 103,77
Примечание. Зачеркнутые значения попадают в "мертвую зону" уравнения (3).
Степень поражения Интенсивность теплового излучения, кВт/м2 Радиус, м
Без негативных последствий в течение длительного времени 1,4 15,34
Безопасно для человека в брезентовой одежде 4,2 10,60
Непереносимая боль через 20-30 с; ожог 1-й степени через 15-20 с; ожог 2-й степени через 30-40 с; воспламенение хлопкового волокна через 15 мин 7,0 8,81
Непереносимая боль через 3-5 с; ожог 1-й степени через 6-8 с; ожог 2-й степени через 12-16 с 10,5 7,58
Воспламенение древесины с шероховатой поверхностью (влажность 12 %) при длительности облучения 15 мин 12,9 7,04
Воспламенение древесины, окрашенной масляной краской по строганой поверхности; воспламенение фанеры 17,0 6,43
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 12.3.047-98. ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля : введ. 01.01.2000 г. [Электронный ресурс]. Доступ из сборника НСИС ПБ. — 2007. — № 3 (31). — М. : Изд-во стандартов, 1998. — 85 с.
2. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : Федер. закон от 22.07.2008 г. № 123-ФЗ; принят Гос. Думой 04.07.2008 г.; одобр. Сов. Федерации 11.07.2008 г. — М. : ФГУ ВНИИПО, 2008. — 157 с. // Российская газета. — 2008. — № 163; Собр. законодательства РФ. — 2008.—№30.
36
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №6
3. Перечень национальных стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения Федерального закона "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" и осуществления оценки соответствия : распоряжение Правительства РФ от 10.03.2009г.№ 304-р. [Электронный ресурс]. Доступ из справ.-правовой системы "КонсультантПлюс" // Собр. законодательства РФ. — 2009. — № 11, ст. 1363; №38, ст. 4508.
4. Об изменениях, которые вносятся в перечень национальных стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения Федерального закона "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" и осуществления оценки соответствия : распоряжение Правительства РФ от 20.01.2011 г. № 50-р [Электронный ресурс]. Доступ из справ.-правовой системы "КонсультантПлюс".
5. Алексеев С. Г., Авдеев А. С., Барбин Н. М. и др. Методы оценки взрывопожароопасности топли-вовоздушных смесей на примере керосина марки РТ. I. РБ Г-05-039-96 // Пожаровзрывобез-опасность. — 2010. — Т. 19, № 5. — С. 37-47.
6. Алексеев С. Г., Авдеев А. С., Барбин Н. М. и др. Методы оценки взрывопожароопасности топли-вовоздушных смесей на примере керосина марки РТ. II. РД 03-409-01 // Пожаровзрывобезопас-ность. — 2011. —Т. 20, № 1. —С. 21-27.
7. Алексеев С. Г., Авдеев А. С., Барбин Н. М.и др. Методы оценки взрывопожароопасности топливо-воздушных смесей на примере керосина марки РТ. III. СП 12.13130.2009 // Пожаровзрывобез-опасность. — 2012. — Т. 21, № 1. — С. 33-38.
8. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М. : Наука, 1972.— С. 691.
9. Паспорт на авиатопливо РТ№ 157 от 30.04.2009 г. / Лаборатория ГСМ (г. Пермь, аэропорт Б. Са-вино-1).
10. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взры-вопожарной и пожарной опасности (в ред. изм. № 1, утв. приказом МЧС России от 09.12.2010 г. № 643): приказ МЧС России от 25.03.2009 г. № 182; введ. 01.05.2009 г. — М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009. — 9 с.
11. РД 03-409-01. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей: постановление ГосгортехнадзораРФ от 26.06.2001 г. № 25; введ. 26.06.2001 г. [Электронный ресурс]. Доступ из справ.-правовой системы "КонсультантПлюс".
Материал поступил в редакцию 1 февраля 2012 г.
Электронные адреса авторов: Alexshome@mail.ru;
NMBarbin@yandex.ru; TimashevS@wekt.ru; sec@wekt.ru.
Из пожарно-технического энциклопедического словаря
ВЗРЫВ — быстрое химическое превращение среды, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов.
ВЗРЫВООПАСНАЯ СМЕСЬ — смесь воздуха или окислителя с горючими газами, парами легковоспламеняющихся жидкостей, горючими пылями или волокнами, которая при определенной концентрации и возникновении источника инициирования взрыва способна взорваться.
ВЗРЫВООПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ — способность вещества к взрыву или детонации при нагревании или инициировании ударом, трением, а также взрывом или детонацией других веществ. Взрывоопасностью обладают все взрывчатые вещества, ацетилен, гидразин, многие полинитро- и азосоединения и другие нестойкие и образующиеся в результате эндотермических реакций вещества, а также смеси горючих газов и паров с воздухом, многие аэровзвеси твердых жидких горючих веществ с активными окислителями и т. п.
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №6
37
