CC BY
94
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ЛЮДЕЙ И ЗДАНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ ЭНЕРГОЕМКИХ ВЗРЫВООПАСНЫХ
ОБЬЕКТОВ
MAINTENANCE OF EXPLOSION SAFETY OF PEOPLE AND THE BUILDINGS ADJOINING TO POWER-INTENSIVE OBJECTS
E.B. Бажина
E.V. Bazhina
МГСУ
В статье на примере завода полиолефинов определяется состояние взрывоопас-ности административно-бытового корпуса и бытового корпуса, прилегающих к энергоемкой и взрывоопасной установке. Определяется возможность использования указанных зданий для постоянного и массового пребывания людей. Разрабатываются рекомендации по защите людей от последствий возможной взрывной аварии.
In article on an example of factory of polyolefins the condition of explosion hazard of the is administrative-household case and the household case, adjoining to power-intensive and explosive installation is defined. Possibility of use of the specified buildings for constant and mass stay of people is defined. Recommendations about protection of people from consequences of possible explosive failure are developed.
Аварийные ситуации на промышленных взрывоопасных объектах могут привести к выбросу в атмосферу веществ, которые в смеси с воздухом в определённой концентрации, создадут взрывоопасное облако. При взрыве газовоздушного облака в первую очередь могут пострадать строения и находящиеся в них люди на территории самого объекта.
Для решения вопроса, на стадии проектирования, о размещении строений на безопасном расстоянии от предполагаемого места взрыва или принятии необходимых мер по их защите от разрушений, если безопасные расстояния невозможно выдержать, необходимо определить динамические характеристики возможных взрывных нагрузок, действующих на строительные конструкции зданий.
На примере завода полиолефинов (рис. 1) определим взрывные нагрузки на здание административно-бытового корпуса (АБК) и бытового корпуса (БК) при детонационном и дефлаграционном взрывах газопаровоздушной смеси (ГПВС) с энергетическим потенциалом Е=9.2 108кДж, которым обладает взрывоопасное вещество производственного блока 1 (см. рис. 1).
Отметим, что, как правило, на подобных объектах (нефтеперерабатывающие заводы, химические предприятия, базы по хранению и транспортировке сжиженных углеводородов и ряд других) при аварийных ситуациях осуществляется дефлаграцион-ный тип взрывного превращения. Лишь крайне редко такие смеси как водородо, аци-телено - воздушные могут вызывать детонацию. Однако, следуя некоторым нормативным документам [5,6,7], именно детонационный взрыв принимается в расчёт в ка-
честве исходного сценария при рассмотрении последствии аварийного взрыва на территории промышленного объекта.
Оценку взрывных нагрузок на здание АБК на расстоянии И=388м, наименьшем от источника взрыва (рис.1), проведём по существующим методикам, официально утверждённым [4,5,6,7], а также опубликованным за последнее время [1,2,3].
( " №
_1_Ля""
I ^ЩВфдиц Ицддрш Гриу11^1X14........(1"
£
(О Кфрнтартн склона
Ь
|Ы]Г№ I
Я|П1ч1:ш
Рис. 1.
На рис. 2 приведены динамические характеристики взрывной нагрузки (избыточного давления) детонационного взрыва ГПВС в проходящей волне, т.е. без учёта отражения волны от торцевой стенки здания АБК. Расчёты выполнены по методикам [2] и [4].
ВДО Нй ™
Рис. 2
При самом неблагоприятном развитии взрывной аварии на здание АБК возможно воздействие взрывной ударной волны (ВУВ) с параметрами ДРмакс=4.2-5.5кПа, ДРМИН=-(0.7-1.7)кПа, ¡фазы сждтия=165-220Па- с.
Расчёт взаимодействия воздушной волны (детонационной или дефлаграционной) с отражающей конструкцией здания АБК позволил определить продольные интегральные характеристики воздушного потока, что в свою очередь позволило числено выявить степень отражения волны от ограждающих конструкций здания, т.е. определить величину усиления взрывной нагрузки при ее отражении. В результате расчетов было получено, что коэффициент отражения взрывной волны от торцевой стены АБК составляет не более 1.8, а от фасадной (продольной) стороны здания АБК - порядка 1.0. Значительные различия в коэффициентах отражения обусловлены тем, что здание
расположено почти продольно по отношению к направлению распространения взрывных нагрузок, поэтому, на фасадную часть здания АБК параметры ВУВ сохраняются теми же, а на торцевую - увеличиваются в 1,8 раза.
При подобных ударных нагрузках вероятность средних повреждений здания и вероятность гибели людей равны нулю (методика расчета вероятностей потерь приведена в [4, 5]). Уязвимыми для ВУВ являются только оконные стекла, которые при разрушении создают вторичные поражающие факторы (осколки).
Расчёт динамических характеристик остекления, принятого в проекте АБК, при воздействии ВУВ на фасадную часть показал, что прогиб стекла может достигать Хмакс = + 50мм, Хмин = - 33мм. В то время как допустимый прогиб с периодом собственных колебаний 47.1 мс не должен превышать Хдоп ± 10мм, т.е. должно произойти разрушение стекол, как на фасадной стороне здания, так и тем более - на торцевой.
Указанные последствия возможны при детонационном типе взрывного превращения, т.е. если произойдет детонация всей ГПВС. Напомним, что данный вариант развития аварии является наиболее неблагоприятным и маловероятным.
В итоге делаем вывод о том, что при самом неблагоприятном развитии взрывной аварии остекление здания АБК с высокой вероятностью может быть разрушено при воздействии на него ВУВ, сформировавшейся при детонационном взрыве.
Аварийный взрыв, сопровождающийся дефлаграционным типом взрывного превращения (что наиболее вероятно), создаст не ударную волну, а волну сжатия (ВС), характеризуемую пологим передним фронтом, т.к. скорость распространения пламени при дефлаграционном взрыве - дозвуковая.
Максимальная скорость пламени при аварии на блоке 1 может составить -W=130.1м/c (методика определения W приведена в [2]).
Расчеты динамических параметров нагрузок дефлаграционного взрыва при наиболее неблагоприятном распределении концентрации по взрывоопасному облаку и центральном воспламенении смеси, приведённые на рис.3.
э
г
1
о
■i
-i
U 100 2ü0 МО JOft МО SOU TÍO
Рис. 3
Расчет динамических характеристик оконного остекления показал, что и при дефлаграционном взрыве на установке (блок 1) также возможно разрушение остекления в здании АБК.
Из сказанного следует вывод о необходимости усиления остекления или изменения характера остекления.
дет* ¡ i А/ 1 ■ ЛЦЦЦЧ «»и» (йТПЯШ) Я' - - 'mc.nflivwit млп i У'
ДО
Для усиления прочностных характеристик стекла возможно провести оклеивание его внутренней поверхности высокопрочной плёнкой.
Параметры и классификация взрывобезопасного остекления приведены в табл.Г.1 ГОСТ 30826-2001 [11]. В Москве принят класс защиты К4, т.е. стекло с пленочным покрытием должно выдерживать ВУВ с давлением во фронте 65кПа и импульсом 55Па-с. Пленочное покрытие выпускается толщиной 25.4; 38; 56; 112; 200; 300; 380 и т.д. микрон, т.е. в долях от 10-3 дюйма. Принято, что пленки с толщиной от 112 микрон являются взрывобезопасными, с толщиной 56 микрон - ударопрочными, а с меньшей толщиной - противоосколочными.
Применительно к остеклению фасадной части здания АБК может быть использована пленка любой толщины. Для торцевой части необходимо использовать плёнку толщиной не менее 200 микрон. Данный вариант довольно дорогостоящий, а время эксплуатации пленки составляет около 7-10 лет.
Поэтому возможен второй вариант - уменьшение размеров единичной ячейки стекла в 1.5-2.0 раза. Например, членение полотна стекла, установленного в окнах здания АБК размером 1.2x0.6м на две ячейки - 0.6x0.6м, приведет почти к двукратному запасу прочности при воздействии на него ВУВ детонационного взрыва [12]. Динамические характеристики центральной точки стекла размером (0.6x0.6 м) приведены на рис.4. Расчеты показали, что кроме значительного запаса прочности будут снижены и скоростные характеристики стекла при воздействии на него ударной нагрузки. Это является большим плюсом, т.к. в процессе эксплуатации здания возможно появление трещин в оконных стёклах, и при взрыве возможно выпадение осколков из поврежденных стекол. Однако радиус их разлета будет незначительным, т.к. начальная скорость осколков не превышает 1м/с (рис. 4). При дефлаграционном взрыве целостность
стекла будет гарантирована тем более.
.ТЬ'ИГ^И'П
ЗРО
ЛАйЛШ мл шшлш
' ' Ч |(и1 УУиУУШУ
Зй 100 139 Рис. 4
Рассмотрим результаты прогнозирования послеаварийной обстановки на рассматриваемом объекте по нормативным документам [4-7].
На рис. 5 приведены значения максимальных давлений в ВУВ (верхние графики), импульсы фазы сжатия (средние графики) при детонационном взрыве ГПВС для двух значений коэффициента участия смеси во взрыве 2, вероятность поражения человека и вероятность разрушения зданий (нижние графики). Максимальные взрывные нагрузки и соответствующие им радиусы разрушений получены по методике [7] в табличном
виде и отмечены на верхних графиках точками. В [7] не приводится методика расчета импульса фазы сжатия, максимальное значение которого и максимальное значение давления необходимы для расчета вероятности разрушений и людских потерь. Поэтому расчет импульса фазы сжатия был выполнен по методикам [5,6].
Из нижних графиков рис. 5 видно, что следуя даже достаточно жестким (и не всегда оправданным) нормам, вероятность разрушения здания АБК практически равны нулю. В результате можно сделать вывод о полной защищенности людей внутри здания АБК при условии изменения характера остекления (усилении стекла пленочным покрытием или уменьшении членения полотна оконных стекол в два раза). При этом статическая прочность оконных переплетов должна быть не ниже 200кг/м2.
ЕО
нн
1 И&и-па
\Г,и1Ъ !НК! 7И 2!* 1 1 ¿те ы
0 1 СО 201 ЭСО ЙМ 520 {
1. Яв*Ь |шэфф|01||Е II ... II Н - / Н.1 О
л 1ю: гш эсо т 5па {
Ги'гчнлпт'ттг I |г1'нг-Ш' р:пр(у1мы|нн
х.и
т
на Рис. 5
Рассмотрим возможность использования бытового корпуса (рис. 1), для пребывания в нем людей. Выше (рис. 5) был проведен прогноз последствий взрыва на рассматриваемом объекте по документам [4-7]. Из рис. 5 следует, что здание БК попадает в зону средних разрушений (2=0.1). При этом вероятность поражения человека ВУВ достаточно велика и составляет около 50% однако, технологическое снижение доли вещества, участвующего в детонационном взрыве ГПВС, до минимально допустимого уровня (2=0.02) снижает риск поражения человека до 20%.
Проведем более подробное исследование параметров ВУВ, действующей на здание БК. Расчет динамических параметров ВУВ, приведенный на рис. 6, показывает, что уровни взрывных нагрузок (при детонации ГПВС) могут быть достаточно велики. При самом неблагоприятном развитии взрывной аварии параметры проходящей ВУВ будут следующими: ДРмакс=15.2-15.6 кПа, ДРмин=-(2.6-4.5) кПа, 1фазы сжатия =450-470Па-с. Вероятность поражения человека ВУВ с такими параметрами составляет около 3840%.
При технологическом снижении доли вещества, участвующего в детонационном взрыве, до минимально допустимого уровня (7=0.02) снижает риск поражения человека до 3% (рис. 5)
Таким образом, снижение риска поражения человека можно обеспечить технологической защитой блока, максимально обеспечив его средствами пожаротушения, что приведёт к уменьшению доли вещества, участвующего во взрыве.
Учитывая, что фасад здания БК расположен почти перпендикулярно направлению распространения ВУВ (рис.1), произойдет увеличение давления в отраженной волне (именно она будет воздействовать на строительные элементы здания). Это следует учитывать при определении нагрузок на строительные конструкции здания.
4/2010 М1 ВЕСТНИК
Учитывая коэффициент динамичности, можно сказать, что статическая прочность строительных элементов (например, окон) должна быть очень высокой. Обеспечить прочность остекления можно пленочным покрытием, но вопрос нахождения людей вблизи здания будет не решен. То же самое можно сказать при полном отказе от окон на фасаде здания (например, заложить оконные проемы кирпичом). Единственным способом в данной ситуации является снижение взрывной нагрузки до приемлемого уровня (в 2-3 раза).
В результате можно сделать вывод о том, что использовать здание БК в том виде как оно есть для длительного и массового пребывания в нем людей нельзя. Однако это возможно, если его оградить и усилить остекление противовзрывной плёнкой.
Рис. 6
При расчёте нагрузок на здание БК, как уже отмечалось, были взяты самые жёсткие условия: детонационный тип взрывного превращения. Статистика аварийных ситуаций показывает, что в 99 случаев из ста происходит дефлаграционный тип взрывного превращения. При этом нагрузки в 3-4 раза ниже (рис. 6), что обеспечит полную безопасность здания БК и людей, находящихся в нём, при минимальных затратах на технические решения по усилению строительных конструкций.
Литература:
1. Абросимов A.A., Комаров A.A. Механизмы формирования взрывных нагрузок на территории нефтеперерабатывающих комплексов. Журнал «Нефть, газ и бизнес», №6 (50), 2002г. с.58-61.
2. Комаров A.A. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка последствий их воздействия на здания и сооружения. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М. МГСУ. 2001. -460с.
3. Комаров A.A. Расчет газодинамических характеристик потоков при аварийных дефлаграционных взрывах на наружных установках. Журнал «Пожаровзрывобезопасность», т.11, №5, 2002г. с.15-18.
4. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей. Сборник документов Госгортехнадзор России, НТЦ «Промышленная безопасность», серия 27, выпуск 2. - М.: 2001. - 224 с.
5. ГОСТ Р 12.3.047-98 ССБТ «Пожарная безопасность технологических процессов». -М.: Госстандарт России. - 85 с.
6. НПБ 107-97 «Определение категорий наружных установок по пожарной опасности». - М.: МВД РФ, 1997. - 23 с.
7. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. ПБ 09-170-97. 1999. - 128 с.
8. Попов Н.Н., Расторгуев Б.С. Динамический расчет железобетонных конструкций. -М.: Стройиздат, 1974. 219с.
9. Справочник проектировщика. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. - М.: Стройиздат, 1981. 248с.
10. Садовский М.А. Механическое действие воздушных ударных волн взрыва по данным экспериментальных исследований - в кн. Физика взрыва., №1, М., изд. АН СССР, 1952.
11. ГОСТ 30826-2001 Стекло многослойное строительного назначения. М. 2003. 51с.
12. Пилюгин Л.П. Конструкции сооружений взрывоопасных производств. М. Стройиздат. 1988..305с.
Literatura:
1. Abrosimov A.A., Comarov A.A. Mechanism's mosquitoes of formation of explosive loadings in territory of oil refining complexes. Magazine «Oil, gas and business», №6 (50), 2002r. p.58-61.
2. Comarov A.A. Forecasting's mosquitoes of loadings from emergency deflagracionnyh explosions and an estimation of consequences of their influence on buildings and constructions. The dissertation on competition of a scientific degree of a Dr.Sci.Tech. M. MSUCE. 2001.-460p.
3. Comarov A.A. Calculation's mosquitoes gas and dynamic's characteristics of streams at emergency deflagracionnyh explosions on external installations. Magazine "Pozharovzryvobezopasnost", T.11, №5, 2002r. p.15-18.
4. A technique of an estimation of consequences of emergency explosions of toplivno-air mixes. The collection of documents Gosgortekhnadzor of Russia, scientific and technological center «Industrial safety», a series 27, release 2. - M: 2001. - 224p.
5. GOST R 12.3.047-98 CCBT «Fire safety of technological processes». - TN.: Gosstandart of Russia. - 85p.
6. NPB 107-97 «Definition of categories of external installations on fire danger». - M: the Ministry of Internal Affairs of the Russian Federation, 1997. - 23p.
7. The general explosion safety rules for vzryvopozharoopasnykh chemical, petrochemical and oil refining manufactures. PB 09-170-97. 1999. - 128p.
8. Popov H.H., Rastorguev B. S. Dynamic calculation of ferro-concrete construction. - M: Stroyiz-dat, 1974. 219p.
9. A directory of the ingineer's. Dynamic calculation of constructions on special influences. - M: Stroyizdat, 1981. 248p.
10. Sadovsky M. A. Mechanical action of air shock waves of explosion according to experimental researches - in the book "Physics of explosion", №1, M, ads. AN the USSR, 1952.
11. GOST 30826-2001 Glass multilayered building appointment. M. 2003. 51p.
12. Pilyugin L.P. Design of constructions of explosive manufactures. M. Stroyizdat. 1988. 305p.
Ключевые слова: взрывной объект, воздушная волна, детонационный взрыв, ячейка стекла, характер остекленения, последствия взрыва, отраженная волна, пленочное покрытие, пожаровзры-вобезопасность.
Keywords: explosive object, air wave, detonation explosion, cell has flown down, character glass, the explosion consequences, the reflected wave, a film covering, pozharovzryvobezopasnost.
129338, г. Москва, ул. Вешних Вод, д.8, корп.1, кВ.75.
Тел. 8-916-101-94-64. e-mail: ndvs78@gmail.com
Рецензент: Тамразян А.Г., доктор технических наук, профессор.
