CC BY
9Салеев Е. П.
расчётный метод оценки границ зон разрушений при взрыве газопаровоздушных смесей
В статье рассмотрены условия разрушения промышленных и гражданских строений при воздействии на них нагрузки от ударных волн. Анализируется изменение давления в ударных волнах в зависимости от массы взрываемого вещества и расстояния от эпицентра взрыва. Предложены формулы для оценки радиуса границ зон сильных, средних и лёгких разрушений при взрыве газопаровоздушных смесей.
Ключевые слова: взрыв, ударная волна, степень разрушения, граница зоны разрушения.
Saleev E.
RATED METHOD OF AN ASSESSMENT OF BORDERS OF ZONES OF DESTRUCTIONS AT EXPLOSION GAS-STEAM-AIR MIXTURES
Conditions of destruction of industrial and civil buildings at influence on them load from shock waves considered in the article. Variation of pressure in shock waves depending on weight of exploded substance and distance from an epicenter of explosion is analyzed. Formulas for an assessment of radius of borders of zones of strong, average and easy destructions are offered at explosion gas-steam-air mixtures.
Keywords: explosion, shock wave, degree of destruction, boundary zone of destruction.
При разработке оперативных мероприятий по ликвидации аварий, связанных с взрывами (тушение пожаров, оценка экологической опасности, спасработы) необходима информация о происшедших разрушениях. Аварийные взрывы достаточно часто связаны со взрывами газопаровоздушных смесей, которые образуются при утечке горючих веществ. При взрыве таких смесей возникают ударные волны. Ударными волнами могут быть разрушены и повреждены здания, оборудование, которые оказываются
в зоне их действия. Условно принято рассматривать три характерные зоны возможных повреждений: зона сильных повреждений, зона средних повреждений, зона лёгких повреждений, а также соответствующие им степени повреждения объектов. При рассмотрении воздействия ударных волн необходимо принять во внимание, что в границах зон повреждений в большинстве случаев т+ >> Т, где т+ - время действия ударной волны, Т - собственный период колебаний конструкции. Это означает, что нагрузку от ударной волны на конструкцию можно считать квазистатической, то есть напряжения, деформации в элементах конструкции будут пропорциональными максимальному избыточному давлению волны (АР) [1]. К указанным случаям воздействий относятся данные по результатам разрушений, приведённые в таблице 1 [2, 3].
Для расчёта давления в ударной волне, которая распространяется по воздуху, широкое применение нашла трёхчленная формула [4]:
Л71/3 и72/3 Л7
— + + , (1)
где Р0 - атмосферное давление; m - масса взрывчатого вещества; R - расстояние, пройденное ударной волной.
Коэффициент a устанавливается экспериментально или расчётным путём. При этом различают взрыв в воздухе
и взрыв на поверхности. В первом случае образуется сферическая ударная волна. Если взрыв происходит на поверхности (например, на грунте), то ударная волна образует полусферу. В последнем
случае имеет место концентрация энергии взрыва в единице объёма в два раза больше, чем при взрыве в воздухе, что приводит к увеличению давления в ударной волне.
Таблица 1
Избыточное давление в ударной волне, при котором происходит повреждение гражданских и промышленных объектов
Объекты Давление АР, кПа, соответствующее степени разрушения
Лёгкое Среднее Сильное
Промышленные здания со стальными и железобетонными каркасами, металлические мосты, железнодорожные составы, крановое оборудование 20-40 40-60 60-100
Промышленные и жилые здания бескаркасной конструкции, кирпичные стены в полтора кирпича, трансформаторы, низковольтные линии, тракторы 20-30 30-40 50-60
Котельные, трансформаторные подстанции, регу-ляторные станции и другие конструкции в кирпичных зданиях, водонапорные башни, резервуары с жидким топливом (заполненные), воздушные высоковольтные линии, грузовые автомашины 10-20 20-30 30-50
Кирпичные здания, шлакоблочные стены, деревянные здания и сооружения, линии связи и электросети 5-10 8-15 15-30
Строительные элементы: двери, перегородки, остекление 1,5 7 12
Исследования позволяют утверждать, что при детонации конденсированных взрывчатых веществ в ударную волну переходит до 90 % энергии взрывчатого вещества [5]. При детонации газопаровоздушных смесей в ударную волну переходит порядка 35-40 % энергии горючего [2].
В нормативном документе [6] для расчёта давления в волне при горении газопаровоздушных смесей в открытом пространстве рекомендована формула:
/г)1/3 /г)2/3 m
АР/Р0 = 0,8^ + 3^ + 5^ , (2) где Р0 - 101 кПа; R - расстояние, прой-
денное волной, м, m = mr
\wo у
•z - при-
ведённая масса горючего, кг; тг - масса горючего в газопаровоздушной смеси, кг; 0г - удельная теплота сгорания горючего, Дж/кг; - 4,52-106 Дж/кг, теплота сгорания базового вещества; г - коэффициент участия, который учитывает количество сгоревшего вещества.
Из анализа (2) и результатов исследований [2, 7] следует:
- в (2) через коэффициенты а1 = 0,8; а2 = 3; а3 = 5 учитывается, что в волну переходит порядка 35-40 % энергии горючего;
- в основу положена модель взрыва газопаровоздушной смеси в виде полусферического облака, сформировавшегося у поверхности земли (взрыв на поверхности).
Для трёхчленных уравнений вида (1, 2)характерно:
- первый и второй члены уравнения оказываются небольшими по сравнению с третьим членом при расчёте давления на близких расстояниях от центра взрыва (давление в волне более 100 кПа);
- второй и третий члены становятся небольшими по сравнению с первым членом на значительном расстоянии от центра взрыва (давление менее 100 кПа).
Принимая во внимание отмеченные свойства трёхчленных уравнений (1, 2) и тот факт, что границы зон разрушений значимых объектов находятся на значительном расстоянии от эпицентра взрыва (давление не более 30-50 кПа), можно записать:
тщ тщ
АР = 0,8—Р0, кПа или Я = 80,8—. (3) ' R 0 'АР
Поставив в уравнение (3) значения давлений из таблицы 1, которые соответствуют степеням разрушений объектов, получим уравнения, позволяющие расчётным путём оценить радиусы границ:
- зоны сильных разрушений
/? =80,8— = 5,5тг/3, (4а)
с ' 15 ' ' 4 '
- зоны средних разрушений
П71/3
R = 80,8—— = \0туз, (4б) 8
- зоны лёгких разрушений
т1/3
Rn=80,8— = \6my3. (4в) 5
Для оценки границы частичного разрушения остекления применима формула:
Рф=80,8^- = 54я;,/3. (4г) 1,0
В формулах (4 а-г): R, м; m, кг.
При аварийной утечке горючего и образовании облака в открытом пространстве концентрация горючего в нём будет уменьшаться от эпицентра утечки к периферии. При этом можно отметить ряд характерных по концентрации областей (см. табл. 2).
Таблица 2
Изменение концентрации горючего в облаке
Область Концентрация горючего
1 Фг > фв
2 Фв> Фг> Фв
3 Фс > ф > ф ХВ ' г ' ст
4 ф ~ ф г ст
5 ф > ф > фС Т ст Т г Т н
6 ФСн > Фг > Фн
7 Фг < фн
Примечания
1. Нумерация областей идёт от эпицентра утечки.
2. Принятые условные обозначения: фг - концентрация горючего; фв и фн - верхний и нижний пределы горения, соответственно; ф^^ и фР - верхний и нижний пределы горения в режиме детонации, соответственно; фст - стехиометрическая концентрация горючего.
Из таблицы 2 видно, что в облаке существуют области 1 и 7, где взрывного горения не будет.
Разработчики нормативного документа [6] считают, что, как правило, до 90 % горючего, находящегося в реальном облаке, не участвует в процессе горения, и рекомендуют при определении приведённой массы горючего принимать коэффициент участия х равным 0,1.
До проведения специальных исследований формулы (4 а-г) могут быть использованы для оценки радиусов зон разрушений при взрыве газопаровоздушных
смесей, образовавшихся внутри помещений при условии:
Е >> Е ,
взр раз'
где Евзр - энергия взрыва; Ераз - энергия, затраченная на разрушение сооружения.
В этом случае потерей энергии взрыва на разрушение можно пренебречь. При полном или значительном разрушении сооружения ударные волны от взрыва за пределами разрушенного объекта будут распространяться аналогично распространению волн при взрыве на открытом пространстве.
Используя формулы (4 а-г) для оценки радиуса зон разрушений необходимо учесть, что при утечке горючего вещества внутри помещения его концентрация
в объёме помещения в большинстве случаев будет быстро выравниваться за счёт диффузионных процессов и воздушных потоков. Наиболее опасным является момент, когда во всём объёме помещения концентрация горючего газа будет близка к стехиометрической концентрации. В этом случае практически всё горючее будет участвовать в процессе горения. Отсюда следует, что при взрыве газопаровоздушных смесей в помещении целесообразно принимать коэффициент участия г равным 1.
Если в ходе расследования аварии установлена граница разрушения остекления, то формула (4 г), преобразованная относительно т (массы горючего), позволяет оценить количество взорвавшегося горючего.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рабинович И. М., Синицын А. П., Тере-нин Б. М. Расчёт сооружений на действие кратковременных и мгновенных сил. - Ч. II. - М.: ВИА., 1947.
2. Адушкин В. В., Когарко С. М, Ламин А. Г. Расчёт безопасных расстояний при газовом взрыве в атмосфере // Взрывное дело. - 1975. - № 32.
3. Савенко С. К., Гурин А. А, Малый П. С. Ударные воздушные волны в подземных выработках. - М.: Недра, 1973.
4. Садовский М. А. Опытные исследования механического действия ударных волн взрыва // Труды СИ АН СССР. - 1946. - № 116.
5. Адушкин В. В. О формировании ударной волны и разлёте продуктов взрыва в воздухе / Механическое действие взрыва. - М.: Институт динамики геосфер РАН, 1994.
6. ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.
7. Макеев В. И. Закономерности горения газовых облаков // Юбилейный сборник трудов ВНИИПО / Под ред. А. Я. Корольченко. - М.: ВНИ-ИПО МВД России, 1977.
