CC BY
45
С. Г. АЛЕКСЕЕВ, канд. хим. наук, доцент, чл.-корр. ВАН КБ, 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 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
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. V. ПБ 09-540-03*
Проведен расчет параметров взрыва топливовоздушной смеси по ПБ 09-540—03 на примере керосина РТ. Выявлены возможности и недостатки методики ПБ 09-540—03. Ключевые слова: взрыв; керосин; топливовоздушная смесь; избыточное давление.
В этой работе продолжено рассмотрение возможностей существующих методик оценки взрывопожаро-опасности топливовоздушных смесей (ТВС) на примере авиационного керосина марки РТ. Объектом настоящего исследования явилась методика расчета, представленная в ПБ 09-540-03 (далее — ПБ) [1], которая разработана под эгидой Госгортехнадзора России. Эти правила "устанавливают требования, направленные на обеспечение промышленной безопасности, предупреждение аварий, случаев производственного травматизма на опасных производственных объектах химической, нефтехимической и нефтегазоперерабатывающей промышленности, а также на других опасных производственных объектах, в которых обращаются вещества, образующие паро-, газо- и пылевоздушные взрывопожароопас-ные смеси" [1]. Наша расчетная аварийная ситуация, связанная с разлитием керосина марки РТ [2-5], может рассматриваться как частный случай с позиции ПБ [1].
Идеология ПБ построена на нахождении энергетического потенциала взрывоопасности блока Е, который определяется по формуле
Е = Е'1 + Е 2 + Е'1 + Е'2 + Е 3' + Е4, (1)
где Е1 — сумма энергий адиабатического расширения А и сгорания парогазовой фазы (ПГФ), находящейся в блоке, кДж;
* Продолжение. Начало см. в журнале "Пожаровзрывобезопас-ность", № 5 за 2010 г., № 1 за 2011 г., № 1 и № 6 за 2012 г.
© Алексеев С. Г., Авдеев А. С., Барбин Н. М., Тимашев С. А., Гурьев Е. С., 2012
Е2 — энергия сгорания ПГФ, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов (блоков), кДж;
Б'{ — энергия сгорания ПГФ, образующейся за счет энергии перегретой жидкой фазы (ЖФ) рассматриваемого блока и поступившей от смежных объектов за время тг, кДж; Е2' — энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет тепла экзотермических реакций, не прекращающихся при разгерметизации, кДж; Е3' — энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет теплопритока от внешних теплоносителей, кДж;
Е4' — энергия сгорания ПГФ, образующейся из пролитой на твердую поверхность (пол, поддон, грунт и т. п.) ЖФ за счет теплоотдачи от окружающей среды (от твердой поверхности и воздуха к поверхности жидкости), кДж. Для нашей аварийной ситуации уравнение (1) принимает следующий вид:
Е = Е'4 = ц = О4 + ^5') ц ; (1а)
_ 0 (Т° - Тк) гГ ¡4~т гГж4п
0"А = 2^° (2)
0п5 = 10-6 л Рн Гж т и^/м, (3)
где ц' — удельная теплота сгорания парогазовой фазы керосина, кДж/кг; ц '= Qн = 42945 кДж/кг [2-5]; О^ — суммарная масса ЖФ, испарившейся за счет теплопритока из окружающей среды, кг;
32
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №8
G44 — масса ЖФ, испарившейся за счет тепло-притока от твердой поверхности (пола, поддона, обвалования и т. п.), кг; G'55 — масса ЖФ, испарившейся за счет теплопередачи от окружающего воздуха к пролитой жидкости (по зеркалу испарения), кг; То — температура твердой поверхности (пола, поддона, грунта и т. п.); То = Т = 308 К [2-5]; Т — абсолютная температура среды, К; Т = 308 К [2-5];
Тк — температура кипения авиакеросина, К; Тк = = 450 К (температура отгона 50 % жидкости); е — коэффициент тепловой активности поверхности; е = -^¡Х ст р т *;
X, ст, рт — коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность материала твердой поверхности (пола, поддона, земли и т. п.); Fп — площадь контакта жидкости с твердой поверхностью разлива (площадь теплообмена между пролитой жидкостью и твердой поверхностью), м2; Fп = 108,86 м2 [3]; х — время испарения, с; х = 3600 с [1]; r — удельная теплота парообразования керосина, кДж/кг;
Fж — площадь поверхности зеркала жидкости, м2; F^ 100 м2 [2-5];
Л — безразмерный коэффициент, учитывающий влияние скорости и температуры воздушного потока над поверхностью (зеркалом испарения) жидкости; л = 1 при скорости воздушного потока, равной нулю [1];
Рн — давление насыщенного пара керосина при 308 К, кПа; Рн = 9,33 кПа [4, 6]; хи — время контакта жидкости с поверхностью пролива, с; хи = х = 3600 с; М — молекулярная масса керосина, кг/кмоль; М =151,2 кг/кмоль [2-5]. Неизвестное значение удельной теплоты парообразования керосина РТ r, найденное путем обратного решения уравнения (4) [1], равно 1,273 103 Дж/кг:
Рн = P0 exP
r I
ÄR l T~
(4)
где Р0 — атмосферное давление, кПа; Р0 = 100 кПа [1]; АЯ — удельная газовая постоянная**, Дж/(кг-К), находится из выражения АЯ = Я/М; Я —универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К); Я = 8,314 Дж/(мольК).
* В ПБ для удельной теплоемкости и плотности материала твердой поверхности ошибочно указан индекс "в" вместо индекса "т" [1].
** В ПБ опущено указание, что при расчетах используется не универсальная, а удельная газовая постоянная [1].
Для нахождения энергетического потенциала рассматриваемой аварийной ситуации нам неизвестен коэффициент тепловой активности поверхности е. В связи с этим введем допущение, что колодец, в котором сконцентрировалось разлитое авиатопливо, выполнен из бетона плотностью рт = 2190 кг/м3, с коэффициентом теплопроводности X = 1,216 Вт/(м-К) и теплоемкостью ст = 0,794 кДж/(кг-К) [7].
Расчет по уравнению (2) дает отрицательное значение, что позволяет усомниться в правильности его написания в ПБ [1]. Там же дополнительно приведен алгоритм определения ориентировочного значения суммы (б^' + 0'55), который заимствован из РД 03-409-01 [8]. Ранее нами было установлено, что эта сумма составляет 435,44 кг [3]. Данный результат позволяет сделать вывод, что в уравнении (2) допущена ошибка или опечатка. Если ее устранить, то оно должно выглядеть следующим образом:
G4 = 2
(Тк - То) eF п2Ух . rF^4n
(2а)
В результате этого уточнения суммарная масса (б + 0'5), найденная по уравнениям (2а) и (3), составляет 452,98 кг и незначительно отличается от ее ориентировочного значения, приведенного выше. Таким образом, новый расчет по уравнению (1а) дает значение энергии сгорания парогазовой смеси, равное 19453213 кДж.
Общая масса горючих паров авиакеросина т (кг), приведенная к удельной энергии сгорания, определена по уравнению
т = Е/46000 = 19453213/46000 = 422,9. (5)
Относительный энергетический потенциал для расчетной аварийной ситуации
2 в=ЧЁ116,534 = 16,3. (6)
Если рассматривать расчетную аварийную ситуацию как условный аналог взрывоопасного технологического блока, то согласно ПБ [1] он будет соответствовать III категории взрывоопасности.
Для оценки уровня воздействия взрыва паровоздушного облака в ПБ [1] используется подход, основанный на тротиловом эквиваленте Жт (кг), который определяется по формуле (7) [1]:
= = 192,9.
т 0,9q т ' '
(7)
где — удельная энергия взрыва ТНТ, кДж/кг; = 4500 кДж/кг [8]; 2 — доля приведенной массы парогазовых веществ, участвующих во взрыве; 2 = 0,1 [1]. Радиусы зон разрушения классов 1-5, рассчитанные по уравнению (8), приведены в таблице. Для сравнения в таблице даны радиусы зон разрушения
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №8
33
Результаты определения радиуса зон разрушения
Класс зоны разрушения K АР, кПа Значение R.,, м, рассчитанное по
[1] [9] [8] [10,11]
1 3,8 >100 8,2 50,71) 36,83); 37,07) 8,9
2 5,6 70 12,1 62,61) 50,03); 54,67) 10,8
3 9,6 28 20,8 108,71); 95,11) 182,73); 72,64); 93,67) 18,4
4 28 14 60,5 172,81); 205,42) 378,93); 161,44); 44,55); 272,97) 29,4
5 56 <2 121,1 882,01); 1265,22) 27 3 3,53); 1236,24); 425,05); 143,16); 545,87) 151,2
1) Для режима детонации. 2) Для режима дефлаграции. 3) При V = 200^300 м/с. 4) При V = 150^200 м/с. 5) При V =118 м/с. 6) При V = 72 м/с.7) По тротиловому эквиваленту.
1-5-го классов [2-5], найденные по РБ Г-05-039-96 [9], РД 03-409-01 [8], СП 12.13130.2009 [10] и ГОСТ Р 12.3.047-98 [11]:
#7
R = K
[1+ (3180 WT)2]V6
(8)
где К — поправочный коэффициент, учитывающий воздействие взрыва на объект (см. таблицу). Как видно из таблицы, результаты расчетов по ПБ 09-540-03 [1], СП 12.13130.2009 [10] и ГОСТ Р 12.3.047-98 [11] хорошо коррелируют между собой для 1, 2 и 3-го классов зон разрушений. В дальнейшем наблюдаются сильные расхождения в прогнозах разрушений в результате взрыва (объемной вспышки) паровоздушной смеси керосина РТ. Данные вычислений прогноза по РБ Г-05-039-96 [9] и РД 03-409-01 [8] по сравнению с ПБ [1] дают завышенные значения радиусов классов зон разрушений, за исключением радиуса 4-го класса, при горении в режиме дефлаграции со скоростью движения фронта пламени V = 118м/с. Следует отметить, что метод тротилового эквивалента также применяется
и в [8] для грубой оценки последствий взрыва. Однако при расчете тротилового эквивалента паровоздушных смесей в этом случае не учитывается величина 2 и применяется иной способ нахождения массы горючих паров. В результате этого при использовании одного и того же подхода расчет по РД 03-409-01 [8] и ПБ 09-540-03 [1] дает разные результаты (см. таблицу).
В заключение отметим, что ПБ 09-540-03 [1] могут использоваться для оценки не только взрыво-опасности технологических объектов, но и аварийных ситуаций, связанных с розливом ЛВЖ. Как показано в настоящей работе, алгоритм расчета в этом случае достаточно прост и доступен для многих практических работников. В качестве недостатков данного нормативного документа можно отметить, что в нем присутствуют ошибки (опечатки); не для всех размерных параметров, заложенных в расчетный алгоритм данного документа, приведены единицы измерения; отсутствуют примеры расчетов. Все это, безусловно, затрудняет практическое применение данного нормативного документа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ПБ 09-540-03. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств : постановление Госгортехнадзора РФ от 05.05.2003 г. № 29; введ. 05.05.2003 г.; зарег. в Минюсте РФ 15.05.2003 г., рег. № 4537. — М. : ПИО ОБТ, 2003; Российская газета. — 2003. —№ 120/1. [Электронный ресурс]. Доступ из справ.-правовой системы "КонсультантПлюс".
2. Алексеев С. Г., Авдеев А. С., Барбин Н. М.и др. Методы оценки взрывопожароопасности топливо-воздушных смесей на примере керосина марки РТ. I. РБ Г-05-039-96 // Пожаровзрывобез-опасность. — 2010. — Т. 19, № 5. — С. 37-47.
3. Алексеев С. Г., Авдеев А. С., Барбин Н. М.и др. Методы оценки взрывопожароопасности топливо-воздушных смесей на примере керосина марки РТ. II. РД 03-409-01 // Пожаровзрывобезопас-ность. — 2011. —Т. 20, № 1. —С. 21-27.
4. 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.
5. Алексеев С. Г., Авдеев А. С., Барбин Н. М.и др. Методы оценки взрывопожароопасности топливо-воздушных смесей на примере керосина марки РТ. ТУГОСТР 12.3.047-98 // Пожаровзрывобез-опасность. — 2012. — Т. 21, № 6. — С. 34-37.
34
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №8
