CC BY
67
A. В. МИШУЕВ, д-р техн. наук, профессор, руководитель НТЦ "Взрывоустойчивость" Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское ш., 26; e-mail: [email protected])
B. В. КАЗЕННОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры гидравлики и водных ресурсов Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
В. В. КОМАРОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры гидравлики и водных ресурсов Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское ш., 26) Н. В. ГРОМОВ, канд. техн. наук, заведующий лабораторией газодинамики горения и взрыва Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское ш., 26) Л. Н. ГУСАК, канд. техн. наук, доцент кафедры гидравлики и водных ресурсов Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
УДК 614.83
ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТЬ АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ В ГОРОДЕ
Проведен анализ основных сценариев развития аварийной ситуации со взрывом и пожаром на автозаправочных станциях, расположенных в городской черте. На примере показаны последствия воздействия поражающих факторов в результате пожара пролива топлива, образования огненного шара при взрыве цистерны с топливом в очаге пожара, дефлаграционного и детонационного взрывов топливовоздушной смеси на расположенное вблизи здание.
Ключевые слова: автозаправочная станция; аварийный взрыв; пожар; повышенное давление; детонация; дефлаграция.
Возрастающее с каждым годом число автомобилей в городах России требует и увеличения количества автозаправочных станций (АЗС), что зачастую оказывается проблематичным. Дело в том, что в соответствии с Федеральным законом № 123-Ф3 [1] по-жаровзрывоопасные объекты должны размещаться не ближе 50 м от объектов городской застройки.
Обратимся к статистике. По данным средств массовой информации за семь лет (с 2006 по 2013 гг.) в России зафиксировано 27 случаев взрывов и пожаров на АЗС, из них 10 — при перекачке горючего из автоцистерны в емкость; 9 — в результате террористических актов, в основном в республиках Северного Кавказа.
Проследим за развитием характерной ЧС на АЗС в Южной Корее летом 2010 г. (по данным Discovery Channel). При сливе топлива из автоцистерны в подземную емкость из-за неисправности шланга топливо разлилось по площадке АЗС, вследствие чего возник пожар пролива с образованием высокого (более 100 м) столба дыма и сажи, дрейфующего по ветру. Пожар охватил автоцистерну. В результате нагрева топлива давление в автоцистерне возросло, и она разрушилась. Топливо было выброшено в атмосферу, образовался мощный огневой шар.
В результате ЧС частично были разрушены окружающие АЗС здания; в зданиях, находящихся на значительном расстоянии от нее (100...300 м), были выбиты стекла окон, сгорели припаркованные у зданий автомобили.
Анализ ЧС на АЗС позволил разработать следующие сценарии развития ЧС.
Первый сценарий. В результате неисправности оборудования (обрыв шланга при перекачке топлива, трещина в шланге, неисправность насоса и др.), несоблюдения техники безопасности и других причин топливо попадает на поверхность площадки АЗС. Такое развитие ЧС возможно также при террористическом акте (пулевые отверстия в цистерне, ее подрыв).
При появлении источника зажигания (искра, горящая сигарета и др.) происходит воспламенение паров топлива (пожар пролива) на поверхности пролива без взрыва, так как времени для образования необходимого для взрыва (т. е. находящегося между нижним (НКПВ) и верхним (ВКПВ) концентрационными пределами взрываемости) количества топливовоздушной смеси (ТВС) оказывается недостаточно.
© Мишуев А. В., Казенное В. В., Комаров В. В., Громов Н. В., Гусак Л. Н., 2014
Из-за неполного сгорания топлива образуется высокий столб дыма и сажи, который легче воздуха и может дрейфовать по ветру. Высота такого столба может достигать нескольких сотен метров. Дым и сажа могут попасть внутрь помещений через вскрытые оконные проемы и вентиляционные отверстия.
Поражающим фактором является тепловое воздействие на людей и окружающую среду. Зона поражения зависит от количества разлившегося топлива, размеров очага пожара и действий пожарных расчетов.
Второй сценарий. Начало ЧС протекает по первому сценарию. Однако очаг пожара не удается быстро ликвидировать, и огонь охватывает цистерну. При ее разрушении топливо под давлением попадает наружу (в атмосферу), распадаясь на мелкие капли, которые испаряясь образуют взрывоопасную топливовоздушную смесь. Смесь воспламеняется с образованием огневого шара с высокой температурой (до 1200 °С). При этом сценарии основным поражающим фактором является тепловое воздействие на окружающую среду. Зона поражения зависит от количества выброшенного в атмосферу топлива (емкости автоцистерны заправщика), которое определяет радиус огневого шара и расстояния от его границы до рассматриваемого объекта.
Третий сценарий. Начало развития ЧС происходит по первому сценарию: в результате аварии топливо из цистерны бензовоза попадает на площадку АЗС. Однако оно не загорается, как это было в первом сценарии, а начинает испаряться, образуя паротопливовоздушную смесь. Формируется стелющееся облако этой смеси, так как ее плотность больше плотности атмосферного воздуха. Когда топ-ливовоздушная смесь достигнет концентрации, находящейся между НКПВ и ВКПВ, возможен взрыв облака. Побудителем взрыва может послужить локальный пожар или случайный источник огня. В подавляющем большинстве случаев происходит де-флаграционный взрыв с образованием огненного шара и волны сжатия.
Основными поражающими факторами в этом сценарии развития ЧС являются: тепловое воздействие огненного шара, избыточное давление взрыва и скоростной напор волны сжатия. Взаимодействие последней с ограждающей конструкцией здания может быть в виде отражения, обтекания и затекания.
При затекании волны сжатия внутрь помещения в результате образовавшихся проемов вследствие разрушения оконного остекления, выбитых дверей и т. п. возможна гибель людей, разрушение оборудования, перегородок мебели и т. д. Причиной этого является высокое давление в волне сжатия и особенно скоростной напор при затекании ее в проемы относительно небольшой площади.
В результате террористического акта развитие ЧС может происходить по одному из описанных выше сценариев техногенного характера. Однако возможен и самый неблагоприятный случай развития ЧС, который приводит к детонационному взрыву ТВС.
Четвертый сценарий. Если в облаке ТВС, концентрация которого находится между НКПВ и ВКПВ, будет осуществлен взрыв заряда тротила (массой порядка 200 г), пластита или другого взрывчатого вещества (ВВ), то возможен детонационный взрыв топливовоздушного облака [2].
Детонационный взрыв характеризуется сверхзвуковой скоростью распространения пламени, созданием высокого избыточного давления (до 2000 кПа) за очень короткое время, практически мгновенно.
Поражающими факторами при детонационном взрыве газопаровоздушной смеси, в том числе ТВС, являются давление воздушной ударной волны и ее скоростной напор.
Следует отметить, что вероятность развития ЧС по четвертому сценарию крайне мала. Для того чтобы такая цепочка развития ЧС была реализована, террорист должен быть хорошо подготовлен, должен знать физические процессы взрыва газопаровоздушной смеси.
Однако подход к развитию чрезвычайной ситуации следует рассматривать с консервативной точки зрения, поэтому не учитывать возможность последствий террористического акта, приводящего к детонационному взрыву топлива на площадке АЗС, не следует.
Оценим поражающие факторы ЧС на АЗС по предлагаемым сценариям.
Первый сценарий. По расчетам при максимальном проливе топлива массой 30 т (максимальная масса топлива в цистерне бензовоза) приведенный диаметр пролива составит 30 м, высота пламени — 34 м, время горения — 12 мин [3].
На рис. 1 представлены графики снижения интенсивности теплового излучения и вероятности поражения человека в зависимости от расстояния от него до границы пролива [3,4].
Второй сценарий. При консервативном подходе к ЧС и массе выброшенного в атмосферу топлива 30 т эффективный диаметр огневого шара составит 155 м, время его существования — 21 с [3].
Из рис. 2 видно, что в радиусе 77,5 м (радиус огневого шара) следует ожидать 100 %-ной гибели людей. На расстоянии 100 м от центра огневого шара вероятность летального исхода людей составит 80...90 % [5]. На расстоянии менее 200 м в зданиях произойдет разрушение окон из ПВХ-профиля, что приведет также к разрушению остекления и, как следствие, к пожару в зданиях.
46
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2014 ТОМ 23 №2
L, м
L, м
Рис. 1. Интенсивность теплового излучения д (а) и вероятность теплового поражения человека V(б) на различном расстоянии Ь от границы пролива: 1 — человек неподвижен; 2 — человек удаляется со скоростью 0,5 м/с
L, м
L, м
L, м
Рис. 2. Интенсивность теплового излучения q (а), доза теплового потока Q (б) и вероятность теплового поражения человека V (в) при воздействии на него излучения от огневого шара: 1 — человек неподвижен; 2 — человек удаляется со скоростью 2,5 м/с; 3 — человек удаляется со скоростью 5 м/с
Третий сценарий. Рассмотрим воздействие волны сжатия дефлаграционного взрыва ТВС на некоторое здание длиной 80 м, высотой 83 м, находящееся на расстоянии 75 м от источника взрыва (рис. 3).
Расчетное значение видимой скорости пламени равно 118 м/с. В отраженной волне сжатия на фасаде здания избыточное давление (нагрузка) составит 5,4 кПа (540 кгс/м2) [5]. По длине здания и по его высоте давление практически одно и то же, т. е. около 5,4 кПа, импульс взрывного давления не превышает 700 Па с.
х, м
100
50
0
200
250 у, м
Рис. 3. Изолинии уровней максимального взрывного давления при дефлаграции (план)
При избыточном давлении более 3 кПа и менее 6 кПа здание получает разрушения слабой степени. При этом в основном разрушаются заполнения оконных проемов, а также навесной фасад, если он имеется [3, 6].
Четвертый сценарий. При детонационном взрыве ТВС давление в проходящей воздушной ударной волне на расстоянии порядка 100 м (т. е. там, где начинается стилобатная часть здания) достигает примерно 15 кПа [2] (рис. 4). В отраженной волне оно примерно удвоится. При таких давлениях сти-лобатная часть здания в основном будет разрушена.
На фасаде высотного здания в отраженной ударной волне избыточное давление достигнет 18,5 кПа и будет распределяться практически равномерно по всему фасаду здания. Здание получит разрушения сильной степени [6]. Однозначно будет разрушен навесной фасад, стекла оконного заполнения. Возможно разрушение стеновых панелей из легких бетонов, мягкой кровли больших площадей, возду-хоприемников вентиляции, наружных антенн, повреждение некоторых конструктивных элементов, несущих нагрузку, и ряд других повреждений.
Материальный ущерб, нанесенный зданию, может составить до 60 % сметной стоимости. До 1,5 % людей, находящихся в здании, получат крайне тяжелые травмы, до 7 % — тяжелые и 25 % — средней тяжести. При вскрытии оконных проемов воздушная ударная волна взрыва ТВС проникнет в поме-
z, м
Место взрыва | Ограда
0
50
100
150
200
250 у, м
Рис. 4. Изолинии уровней максимального взрывного давления при детонации (вертикальный разрез)
ВУВ
х, М-121086
420
а а
у, м
Рис. 5. Изолинии уровней максимального взрывного давления (фрагмент здания)
ВУВ
у, и
Рис. 6. Изолинии уровней максимальной скорости воздушного потока
щение здания со стороны действия ВУВ. В помещениях, в которых оконные проемы находятся только со стороны действия ВУВ, давление достигнет 15 кПа (рис. 5). Вероятность гибели людей (разрушений средней степени) в этих помещениях достигнет 40 %.
В помещениях, окна которых располагаются и со стороны воздействия ВУВ, и с противоположной стороны, давление будет ниже (~10 кПа). Однако в таких помещениях при вскрытии оконных проемов скорость воздушных потоков достигнет значительных величин (рис. 6).
Непосредственно у открытых оконных проемов скорость составит 35 м/с (116 км/ч), что больше скорости ураганного ветра (33 м/с). Причем вектор скорости будет направлен как внутрь помещения при положительном избыточном давлении, так и наружу из помещения — при отрицательном давлении и достигнет примерно 15 м/с (54 км/ч).
В заключение отметим, что чрезвычайная ситуация (пожар и тем более взрыв) на АЗС может привести к серьезным последствиям для зданий и людей, находящихся в непосредственной близости от АЗС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : Федер. закон от 22.07.2008 г. № 123-Ф3; принят Гос. Думой 04.07.2008 г.; одобр. Сов. Федерации 11.07.2008 г. // Собр. законодательства РФ. — 2008. — № 30 (ч. I), ст. 3579.
2. Комаров А. А. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка последствий их воздействия на здания и сооружения : дис. ... д-ра техн. наук. — М. : МГСУ, 2001. — 460 с.
3. ГОСТ Р 12.3.047-98. ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. — Введ. 01.01.2000 г. — М. : Изд-во стандартов, 1998. — 85 с.
4. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взры-вопожарной и пожарной опасности : приказ МЧС России от 25.03.2009 г. № 182; введ. 01.05.2009 г. — М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.
5. МишуевА. В.,ХуснутдиновД. 3. Методика расчета нагрузок на здания и сооружения при воздействии внешних аварийных дефлаграционных взрывов. — М. : МГСУ, 2004.
6. РД 03-409-01. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (с изм. и доп.): постановление Госгортехнадзора РФ от 26.06.2001 г. № 25; введ. 26.06.2001 г. // Сборник документов Госгортехнадзора России, сер. 27, вып. 2. — М. : НТЦ "Промышленная безопасность", 2001. — 224 с.
Материал поступил в редакцию 8 ноября 2013 г.
= English
FIRE-AND-EXPLOSION HAZARD OF GAS STATIONS
MISHUEV A. V., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Scientific and Technical Center "Vzryvoustoychivost", Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
48
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2014 TOM 23 №2
KAZENNOV V. V., Doctor of Technical Sciences, Professor of Hydraulics and Water Resources Department, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation)
KOMAROV V. V., Doctor of Technical Sciences, Professor of Hydraulics and Water Resources Department, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation)
GROMOV N. V., Candidate of Technical Sciences, Head of Gas Dynamics of Burning and Explosion Laboratory, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation)
GUSAK L. N., Candidate of Technical Sciences, Docent of Hydraulics and Water Resources Department, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation)
ABSTRACT
The paper is devoted to an important issue of fire and explosion safety in an emergency at gas stations. Such situations are extremely dangerous for both residents and urban development since the increase in vehicles leads to the increase in the number of gas stations. The article deals with all possible emergency scenarios that may cause fire and explosion at gas stations including terroristic attacks which are unfortunately topical nowadays.
Given all scenarios and regulations as well as developments of Scientific and Technical Center "Vzryvoustoychivost" of Moscow State University of Civil Engineering the authors consider damage factors and an aftermath in case of fuel spillage fire, deflagration and detonation explosion of a tank with the fuel mixture.
The isolines of the maximum explosion pressure levels are shown by taking into account the location of various buildings on the way of a deflagration wave as well as detonation shock wave, which is a scientific novelty of the paper.
It is noted that in the situation of external emergency explosion window glass may break, which causes heavy air flows in the rooms of a building. The flow velocity is directed inward in the case of overpressure and outward in the case of underpressure.
Keywords: gas station; emergency blast; fire; excessive pressure; detonation; deflagration.
REFERENCES
1. Technical regulations for fire safety requirements. Federal Law on 22.07.2008 No. 123. Sobraniye zako-nodatelstva — Collection of Laws of the Russian Federation, 2008, no. 30 (partI), art. 3579 (in Russian).
2. Komarov A. A. Prognozirovaniye nagruzok ot avariynykh deflagratsionnykh vzryvov i otsenkaposled-stviy ikh vozdeystviya na zdaniya i sooruzheniya. Dis. ... d-ra tekhn. nauk [Forecasting of emergency deflagration explosion loads and aftermath estimation of their effects on buildings. Dr. tech. sci. diss.]. Moscow, Moscow State University of Civil Engineering Publ., 2001. 460 p.
3. State standard of Russian Federation 12.3.047-98. Occupational safety standards system. Firesafety of technological processes. General requirements. Methods of control. Moscow, Izdatelstvo standar-tov, 1998. 85 p. (in Russian).
4. Set of rules 12.13130.2009. Determination of categories of rooms, buildings and external installations on explosion andfire hazard. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2009 (in Russian).
5. Mishuev A. V., Khusnutdinov D. Z. Metodika rascheta nagruzokna zdaniya i sooruzheniyapri vozdey-stvii vneshnikh avariynykh deflagratsionnykh vzryvov [Load calculation method for buildings in case of external emergency deflagration explosions]. Moscow, Moscow State University of Civil Engineering Publ., 2004.
6. Management document 03-409-01. Technique of an aftermath estimation of accidental fuel-air mixtures explosions. Collection of documents Gosgortekhnadzor of Russia, series 27, issue 2. Moscow, Scientific and Technical Center "Industrial Safety" Publ., 2001. 224 p.
