CC BY
7
УДК 614.83
ОПЕРАТИВНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВОВ ОБЛАКОВ ГАЗО-, ПАРОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ
С УЧЁТОМ ИХ ФОРМЫ
Ю.Н. Тарабаев
кандидат военных наук, доцент, доцент кафедры (инженерной защиты населения и территорий)
Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: ytarabaevQyandex.ru
В.Ф. Воскобоев
доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник научно-исследовательского центра Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: V.VoskoboevQamchs.ru
A.B. Варинов
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры (инженерной защиты населения и территорий) Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск
E-mail: barinov.academyQyandex.ru
Е.А. Машинцов
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры (медико-биологической и экологической защиты)
Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: е.mashintcovQamchs.ru
Аннотация. В статье описан актуальный методический подход, позволяющий уточнить влияние формы образующегося в открытом пространстве газо-, паровоздушного облака на геометрические размеры зоны детонации и удаление от нее границ зон возможных полных, сильных, средних и слабых разрушений.
Ключевые слова: газо-, паровоздушное облако; зона детонации; воздушная ударная волна; зона возможных полных (сильных, средних, слабых) разрушений; избыточное давление; сте-хиометрическое соотношение.
Цитирование: Тарабаев Ю.Н., Варинов A.B., Воскобоев В.Ф., Машинцов Е.А. Оперативное прогнозирование последствий взрывов облаков газо-, паровоздушных смесей в открытом пространстве с учётом их формы // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2022. № 2 (53). С. 45 - 49.
Разгерметизация резервуаров, газопроводов, иродуктоироводов и др. часто приводит к образованию облаков газо-, паровоздушных смесей, взрыв которых может привести к очень тяжелым последствиям.
Одним из таких примеров является катастрофа, которая произошла на железнодорожном перегоне Казаяк - Улу-Теляк в июне 1989 года.
На проходящем вблизи продуктопроводе широких фракций легких углеводородов «Западная Сибирь - Урал - Поволжье» произошла разгерметизация, что привело к образованию облака газовоздушной смеси с соотношением горючего и окислителя, близким к стехиометрическому составу. Далее при входе в газовоздушное облако одновременно двух поездов произошло инициирование этой смеси (предположительно искрой от контактно-
го провода), приведшее к её детонационному горению с тротиловым эквивалентом, равным 300 тонн тротила.
В результате образования избыточного давления во фронте образовавшейся воздушной ударной волны с путей сбросило 11 вагонов. 258 человек погибли на месте происшествия, 806 пассажиров были госпитализированы с ожогами и травмами различной степени тяжести (317 из них скончались в больницах) [1].
Поэтому разработка новых (более точных) методических подходов к прогнозированию последствий таких взрывов (прежде всего, определению границы каждой из зон возможных полных, сильных, средних и слабых разрушений) представляется важной научной задачей, так как позволит специалистам обосновать комплекс мероприятий инженерной за-
щиты и спланировать создание необходимой группировки сил и средств ликвидации чрезвычайной ситуации.
В соответствии со скоростью распространения пламени горение бывает:
дефлаграционное, протекающее со скоростями, не превышающими скорости распространения звука в среде (несколько метров с секунду);
взрывное, протекающее со скоростью порядка десятков и сотен метров в секунду;
детонационное, распространяющееся со сверхзвуковыми скоростями, т.е. со скоростью тысячи метров в секунду [2, 3].
В ходе оперативного прогнозирования принимают, что процесс развивается в режиме детонации [3, 4].
В пределах зоны облака газо-, паровоздушной смеси детонационная волна распространяется с очень высокой скоростью и имеет во фронте избыточное давление, значения которого могут достигать ДРф = 1700 кПа.
За пределами зоны детонации образуется воздушная ударная волна, значение избыточного давления во фронте которой ДРф связано с расстоянием г от границы зоны детонации (определяется радиусом газо-, паровоздушного облака или радиусом детонации го) и с количеством прореагировавшей газовоздушной смеси. Это давление можно определить в соответствии с функциональной зависимостью ДРф = /(г/го) табличным способом или с применением математических формул по различным методикам [4, 5, 6].
В настоящее время широко распространена методика прогнозирования [4, 6], авторы которой предлагают считать, что образующееся в открытом пространстве при отсутствии ветра облако газо-, паровоздушной смеси будет иметь форму полусферы объемом
2 0 V = з ят°,м.
(1)
В тоже время этот объем может быть определен по следующей математической зависимости
где 22,4 - объем, занимаемый одним киломо-0
100 - коэффициент, учитывающий преобразование процентов (%) в долю;
Мг - масса выделившегося в открытое пространство газа, кг;
х - коэффициент, учитывающий долю прореагировавшего газа (который участвует во взрыве):
ж = 1 - для газообразного состояния вещества;
ж = 0,6 - для жидкого состояния вещества, обусловленного повышением давления, то есть для газов, сжиженных под давлением (определяет долю образующейся за счет мгновенного вскипания жидкости газообразной фазы при разгерметизации сосуда);
ж = 0,1 - для жидкого состояния вещества, обусловленного охлаждением, то есть для газов, сжиженных охлаждением с последующим хранением в изотермических емкостях;
ж = 0,05 - для паровоздушных смесей, образующихся в случае аварийного разлива легковоспламеняющихся жидкостей;
ц - масса одного киломоля вещества, кг/кмоль;
С - стехиометрическая концентрация газа в смеси, % от объема.
По условию равенства этих объемов предложена математическая зависимость, позволяющая определить радиус детонации го'
го = 10II
цС
(3)
Д00Мгж 0
V = 22,4-,м°,
цС
(2)
Описанная методика позволяет оперативно определить радиус детонации и удаление границ зон возможных полных, сильных, средних и слабых разрушений. Однако у него есть, по нашему мнению, существенный недостаток, обусловленный тем, что не учитывается различие плотности углеводородных газов (в первую очередь, отличие от плотности
0
тить, что плотность углеводородного газа в ряде случаев оказывает значительное влияние на реальную форму облака газо-, паровоздушной смеси, а, следовательно, на удаление границ зон возможных полных, сильных, средних и слабых разрушений.
Например, метан с плотностью 0,6682 кг/м3 (почти в два раза легче воздуха) будет достаточно быстро подниматься в
верхние слои атмосферы. Этан с плотностью 3
фузии будет равномерно распространяться во все стороны и действительно сформирует облако в виде полусферы. Для более тяжелых углеводородных газов или паров легковоспламеняющихся жидкостей будет происходить процесс их оседания в приземном слое и по-
степенного смешивания с воздухом с образованием облаков взрывоопасных смесей, имеющих не полусферическую форму, а форму, близкую к шаровому сегменту (рисунок 1), который характеризуется радиусом сегмента го и высот ой к [5]. Поскольку нам необходимо определить значение го целесообразно ввести безразмерную величину 2, которая связывала бы эти две величины
2 = £
(4)
Рисунок 1 Схема с формой шарового сегмента для определения зоны детонации для облака
газо-, паровоздушной смеси
Для определения объема шарового сегмента воспользуемся формулой
1
б'
V = + к2),м3.
(о)
Далее из формулы (4) получим
о
к = 2,
учитывая которое, из формулы (5) полу-
чим
1 го
V = ^ (зг02 + |2)
м
(6)
Тогда по аналогии с выводом формулы (3) из условия равенства объемов, полученных по формулам (2) и (6) получим математическую
зависимость для определения радиуса детона-о
Го ^ 15,8 н
хМг
^ (I +
.
(7)
Численное значение коэффициента 2 обусловлено, прежде всего, плотностью горючего газа. Его можно определить, учитывая отношение плотности воздуха рв (кг/м3) к плотности горючего газа р (кг/м3), из уравнения, составленного из правых частей формул (1) и (о)
3*г 3 - = 1^(3г 0 + к2).
з 6
Решение этого уравнения относительно величины к с фиксированным значением го и учетом формулы (4) позволит вычислить значение коэффициента 2 (таблица 1).
Таблица 1 — Основные физические показатели наиболее распространенных углеводородных газов (легковоспламеняющихся жидкостей*)
№ Газ Химическая формула Плотность р, кг/м0 (при 20°С) Молярная масса ц кг/кмоль Стехиометрическая концентрация С, % (по объему) Коэффициент Ъ
1. Воздух - 1,206 - - 1
2. Метан СН4 0,669 16 9,45 0,70
3. Этан С2Н6 1,264 30 5,66 1,03
4. Пропан СоН% 1,872 44 4,03 1,37
5. Н-Б у тан С4Н10 2,491 58 3,13 1,72
6. Н-Пентан* С5Н12 3,228 72 2,56 2,13
Следует заметить, что математическая зао
жет быть определена из уравнения, составленного из правых частей формул (1) и (2), но учитывая изменение объема (при той же массе) более тяжелого углеводородного газа через отношение плотности воздуха к плотности этого газа
^0 * = 22,4^^. 3 0 р ' цС
Тогда
г0 « 10-|
1хМгр цСръ.
(8)
В случае проведения расчета для смеси углеводородных газов (например, для природного газа), результирующую плотность смеси можно определить, используя закон аддитивных преобразований
Рем =
г=1
где п - количество углеводородных газов в смеси;
р1 - значение плотности г-го газа, кг/м0;
- значение доли г-го газа в смеси;
Расчеты, проведенные по формулам (7) и (8), дают практически одинаковые результаты (отличаются не более, чем на 1-2 %), но очень значительно отличаются от результатов (на 25 % и более), полученных с использованием математической зависимости (3), что говорит о возникновении большой погрешности, если не учитывать плотность углеводородных газов. В результате последствия взрыва для тяжелых углеводородов будут оценены неправильно, то есть существенно будут занижены о
зон возможных полных, сильных, средних и слабых разрушений. Более удобным для опре-
о
применение формулы (8).
Таким образом, методический подход, рассмотренный в данной статье, позволяет при проведении оперативного прогнозирования более адекватно определять возможные последствия взрывов газо-, паровоздушных смесей в открытом пространстве, и более точно оценивать границы и площади зон возможных полных, сильных, средних и слабых разрушений.
Литература
1. Спатар С. Седая земля Улу-Теляка. Статья. Газета «Республика Башкортостан» № 110/05.06.14. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://resbash.rU/stat/2/6068 (дата обращения: 22.12.20).
2. Физика взрыва /под ред. Л.П. Орленко/, изд. 3-е, испр. В 2-х т. Т.1. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004 г., -832 с.
3. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М., изд. Химия 1991 г., - 431 с.
4. Инженерная защита населения: - Часть 1. Основы инженерной защиты населения и территорий. Учебник. - 2-е изд., доп. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2011. - 582 с.
5. Тарабаев Ю.Н., Шеломенцев С.В., Репринцев В.А. Пожаро-взрывозащита. Часть 2. Взрывозащита. Учебное пособие. - Новогорск: АГЗ МЧС России, 2002. - 290 с.
6. Акатьев В. А., Волков С.С., Гаваза B.C. и др. Обеспечение мероприятий и действий сил ликвидации чрезвычайных ситуаций. Часть 2. Книга 2. Оперативное прогнозирование инженерной обстановки в чрезвычайных ситуациях. /Под общей редакцией С.К. Шойгу - М.: ЗАО «Папирус», 1998. - 176 с.
OPERATIONAL FORECASTING OF THE CONSEQUENCES OF EXPLOSIONS OF CLOUDS OF GAS-, STEAM-AIR MIXTURES IN THE OPEN SPACE, TAKING
INTO ACCOUNT THEIR SHAPE
Yury TARABAEV
candidate of military sciences, associate professor, associate professor of the department (engineering protection of the population and territories) Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk E-mail: ytarabaevQyandex.ru
Alexander BARINOV
doctor of technical sciences, professor, professor of the department (engineering protection of the population and territories) Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk
E-mail: barinov.academyQyandex.ru
Victor VOSKOBOEV
doctor of technical sciences, professor, senior researcher of the research center Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk
E-mail: V.VoskoboevQamchs.ru
Evgeniy MASHINTCOV
doctor of technical sciences, professor, professor of the department (medical-biological and environmental protection) Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk
E-mail: e.mashintcovQamchs.ru
Abstract. The article describes an actual methodical approach, allowing to clarify the influence of the form of the gas- steam-air cloud formed in open space on the geometric dimensions of the detonation zone and the removal from it of the boundaries of zones of possible full, strong, medium and weak destruction.
Keywords: gas-, steam-air cloud; detonation zone; air Shockwave; a zone of possible full (strong, medium, weak) destruction; excessive pressure, stechiometric ratio.
Citation: Tarabaev Y.N., Barinov A.V., Voskoboev V.F., Mashintcov E.A. Operational forecasting of the consequences of explosions of clouds of gas-, steam-air mixtures in the open space, taking into account their shape // Scientific and educational problems of civil protection. 2022. № 2 (53). S. 45 - 49.
References
1. Spatar S. The gray land of Ulu-Telyak. Article. Newspaper "Republic of Bashkortostan "No. 110/05.06.14. [Electronic resource] - Access mode: http://resbash.ru/stat/2/6068 (date of access: 12/22/20).
2. Physics of explosion / ed. L.P. Orlenko/, ed. 3rd, rev. In 2 vols. T.l. - M.: FIZMATLIT, 2004, - 832 s.
3. Beschastnov M.V. industrial explosions. Evaluation and warning. M., ed. Chemistry 1991, - 431 s.
4. Engineering protection of the population: - Part 1. Fundamentals of engineering protection of the population and territories. Textbook. - 2nd ed., add. - M.: Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2011. - 582 s.
5. Tarabaev Yu.N., Shelomentsev S.V., Reprintsev V.A. Fire and explosion protection. Part 2. Explosion protection. Tutorial. - Novogorsk: AGZ EMERCOM of Russia, 2002. - 290 s.
6. Akatiev V.A., Volkov S.S., Gavaza V.S. Provision of measures and actions of the emergency liquidation forces. Part 2. Book 2. Operational forecasting of the engineering situation in emergency situations./ Under the general editorship of S.K. Shoigu - M .: CJSC "Papyrus 1998. - 176 s.
