Рационализаторские предложения по расчёту избыточного давления, размеров взрывоопасной зоны и радиуса поражения взрыва Текст научной статьи по специальности «Математика»

Список использованной литературы

1. Теория горения и взрыва [Текст]: Учеб. для вузов МЧС России по специальности 280104.65 - Пожарная безопасность / В.Р. Малинин, В.И. Климкин, С.В. Аникеев и др. - СПб.: СПбУ ГПС МЧС России, 2011. - 279 с.

2. Расчетные методы оценки пожаровзрывоопасности горючих жидкостей [Текст]: Учеб. пособие / А.А. Мельник, В.П. Крейтор, Е.Г. Коробейникова, М.Е. Шкитронов. - СПб.: СПбУ ГПС МЧС России, 2010. - 137 с.

3. Ночовная Н.А. Пути оптимизации эксплуатационных свойств сплавов на основе интер металлидов титана / Ночовная Н.А., Иванов В.И., Алексеев Е.Б., Кочетков А.С. // Авиационные материалы и технологии. - Спецвып. № 5. - 2012. -С. 196-206.

РАЦИОНАЛИЗАТОРСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЁТУ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ, РАЗМЕРОВ ВЗРЫВООПАСНОЙ ЗОНЫ

И РАДИУСА ПОРАЖЕНИЯ ВЗРЫВА

А.А. Троценко, доцент, к.б.н., А.С. Рахманов, студент, Мурманский филиал Санкт-Петербургского университета

ГПС МЧС России, г. Мурманск

Взрыв - процесс выделения энергии за короткий промежуток времени, связанный с мгновенным физико-химическим изменением состояния вещества, приводящим к возникновению скачка давления или ударной волны, сопровождающийся образованием сжатых газов или паров, способных производить работу [1].

Довольно часто экспертам приходится сталкиваться с проверкой условий хранения взрывоопасных веществ, прогнозированием ЧС и последствиями их взрыва. Для экономии времени при расчётах и ускорения расследований дел необходимо проанализировать различные параметры и методики. Основными расчётами при этом являются определение избыточного давления взрыва вещества, размера взрывоопасной зоны и радиуса поражения. В данной статье будут предложены максимально рациональные пути расчётов приведённых выше параметров.

При прогнозировании последствий взрыва или детонации опасных веществ эксперт после сбора всех основных параметров данного на экспертизу вещества в первую очередь должен рассчитать избыточное давление взрыва этого вещества данной массы или объёма.

Избыточное давление взрыва является основным критерием, разделяющим взрывоопасные категории помещений от пожароопасных. В результате действия поражающих факторов взрыва происходит разрушение или повреждение зданий, сооружений, технологического оборудования, транспортных средств, элементов

коммуникаций и других объектов, гибель людей [2].

Избыточное давление взрыва в замкнутом помещении - это разность между максимально возможным и начальным давлением, при котором он происходит

[3.]

Избыточное давление взрыва рассчитывается по формуле:

ЛП /п п\ m • Z 100 1 т-т = (Pmax -Po)•---г--, кПа

V СВ • РГ( П) ССТЕХ КН

где: Рщх - максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной и паровоздушной смеси в замкнутом объеме. Определяется экспериментально или по справочным данным. При отсутствии данных допускается принимать РМАх = 900 кПа; Р0 - начальное давление, равное 101 кПа; m - масса горючего газа или паров ЛВЖ и ГЖ, вышедших в результате аварии в помещение; Z - коэффициент участия горючего во взрыве [3].

Наиболее важным при этом для эксперта будет узнать, каков объём помещения и сколько вещества успело испариться из аппарата, так как эта информация будет играть определяющую роль в формировании результата расчёта размера взрывоопасной зоны и радиуса поражения. Если пары вещества смогли достигнуть минимальной взрывоопасной концентрации в помещении, равной нижнему концентрационному пределу распространения пламени (НКПРП) данного вещества, и они полностью занимают всю площадь пола или потолка (в зависимости от того, легче ли они или тяжелее воздуха), то мы можем принять само помещение за химическую систему, т.е. сосуд с данным веществом.

После определения избыточного давления взрыва необходимо рассчитать размер взрывоопасной зоны. Авторы учебных пособий при изображении размера взрывоопасной зоны предлагают принять за ноль в системе координат центр помещения. Однако в таком случае не учитывается то, что пары вещества распространяются сначала вдоль пола или потолка, а затем по высоте, что определяет границу реакции взрыва. Представив исходное помещение в качестве аппарата с взрывоопасным веществом, в расчёте размера взрывоопасной зоны мы принимаем каждый из параметров размера воображаемой зоны помещение, заполненное газом, за ноль в системе координат (высоту Z, ширину Y и длину X). Полученные в ходе расчётов результаты мы накладываем на уже известные нам параметры помещения. Таким образом, мы получим наиболее приближенную к реальности картину разрушений.

Например, имея помещение размером 5 м*2 м*5 м, пары заполнили всю площадь пола и возвышаются на расстоянии 0,5м от пола. После подсчётов выяснилось, что длина взрывоопасной зоны равна 2м, ширина 1,5 м, а высота 1 м. Прибавив полученные результаты к параметрам заполнения паров, получаем размер зоны, превышающую длину и ширину комнаты соответственно на 2 и 1,5 метра и достигающую 1,5 метров в высоту от уровня пола (рис. 1).

Синими линиями указаны границы заполнения помещения парами взрывоопасного вещества, красными - размер взрывоопасной зоны, который необходимо прибавить к имеющимся параметрам.

Данной методикой изображения размеров взрывоопасной зоны можно

также пользоваться, если предоставляется возможность определить любой другой вариант параметров заполнения помещения парами.

Следующим этапом будет подсчёт радиуса зоны разрушения.

Зоной разрушения считается площадь с границами, определяемыми радиусами R, центром которой является рассматриваемый технологический блок или наиболее вероятное место разгерметизации технологической системы [3].

Рис. 1.

Рис. 2.

Предложенные учебным пособием варианты определения центра взрыва не всегда являются актуальными при утечке опасных веществ. Используя методику, описанную выше при определении зон разрушения, мы можем получить более достоверные и приближенные к реальности результаты расчётов.

Радиус зоны разрушения (м) в общем виде определяется выражением:

я = к-

1 +

(3180^2

т у

1/6

(2)

где: К - безразмерный коэффициент, характеризующий воздействие взрыва на объект; ЖТ - тротиловый эквивалент [2].

Полученный результат, как и при расчёте размеров взрывоопасной зоны, накладываем на параметры помещения, занятого парами взрывоопасного вещества, при этом значение я необходимо прибавить к большей стороне, так как ударная волна будет набирает силу за время цепной реакции, проходящей по всему объёму вещества, и начнёт угасать с момента окончания реакции, т.е. на границе вещества (рис. 2). Синими линиями указаны границы заполнения помещения парами взрывоопасного вещества, красной - радиус зоны разрушения.

Классификация зон разрушения

Таблица

Класс зоны К АР, кПа

разрушения

1 3,8 >100

2 5,6 70

3 9,6 28

4 28,0 14

5 56,0 <2,0

Данный метод расчётов так же можно применить, если предоставляется возможным определить примерные параметры нахождения газовых паров внутри помещения, если они не заполнили помещение по всей площади пола или потолка.

Для наглядности возьмём пример из учебного пособия [3], изменив его так, чтобы можно было применить описанную выше методику:

Вычислить избыточное давление взрыва в помещении, где обращается толуол. Данные для расчета.

1. Характеристика горючего вещества: толуол C6H5CH3 - метилбензол; температура вспышки tBCn = -5 0С; нижний концентрационный предел распространения пламени НКПР = 1,21 %; константы уравнения Антуана: А = 6,0507; В = 1328,17; С = 217,713; плотность жидкости рЖ = 867 кг/м3; максимальное давление взрыва паров толуола Рмах = 634 кПа.

2. Характеристика помещения: длина l = 6 м; ширина b = 6 м; высота h = 4 м; температура воздуха в помещении 25 0С; скорость воздушного потока в помещении 0,1 м/с

3. Характеристика оборудования и параметры технологического процесса:

-5

объем аппарата VAn = 0,05 м ; степень заполнения аппарата жидкостью s = 0,85; температура жидкости в аппарате 40 0С. В результате аварийной ситуации аппарат полностью разрушен, вся жидкость поступила в помещение. Испарение жидкости проходило в течение 1 часа.

Далее приведены готовые значения при решении:

1. Масса поступившей жидкости из аппарата в помещение m = 37 кг.

2. Площадь испарения жидкости 37 м2. Так как площадь испарения ограничена площадью помещения, то принимаем площадь испарения за площадь пола, равной 36 м2.

3. Интенсивность испарения Wucn = 111,4*10-6 кг/м2*с.

4. Масса испарившейся жидкости тисп жидк. = 14,4 кг

5. Z = 0,3; Кн = 3

-5

6. Свободный объём помещения Vce = 115,2 м

-5

7. Плотность паров рг = 3,76 кг/м

8. Стехиометрическая концентрация Сстех = 1,86 %

Л

9. Объём паров Vn = 3,8 м

10. НКПРП толуола 1,25 %

11. Процентное содержание паров от общего объёма помещения 2,6 %

12. Молярная масса М = 92 кг/кмоль

Определяем избыточное давление по имеющимся данным:

ДР = (634-101). 14'4• °'3 • 1°°.1 = 85,96кПа, v 7 115,2 • 3,76 1,86 3

что соответствует 2 классу разрушений. Определим тротиловый эквивалент,

рассчитываемый по формуле:

W = 04. Он. • Z. m (1),

Г 0,9 QT

где 0,4 - доля энергии взрыва парогазовой смеси, затрачиваемой

непосредственно на формирование ударной волны; 0,9 - доля энергии взрыва тринитротолуола, затрачиваемой непосредственно на формирование ударной волны; QH - удельная (низшая) теплота сгорания парогазовой среды, кДж/кг; QТ -удельная теплота взрыва ТНТ = 4240 кДж/кг); 2- доля приведенной массы паров, участвующей во взрыве [2].

Низшая теплота сгорания толуола Qн = 40660 кДж/кг. Используя

имеющиеся показатели, рассчитаем тротиловый эквивалент:

^ 0,4 40660 „„ т = —----0,3 • 37 = 46,8 кг.

0,9 4240

Рассчитываем радиус зоны поражения по формуле:

^ = 5,6 V = 4,4 •«. (2)

(-зтйгЛ

1 +

3180 V 46,8 ,

Учитывая все вышеперечисленные параметры, получаем, что толуол заполнил всю площадь пола помещения (так как его молярная масса больше молярной массы воздуха) и возвышается на 0,1м вверх. Поэтому получившееся значение радиуса мы прибавляем к ширине или длине, так как в данном случае они равны (рис. 2).

Список использованной литературы

1. ГОСТ Р 22.0.08-96. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Техногенные чрезвычайные ситуации. Взрывы. Термины и определения.

2. Теория горения и взрыва [Текст]: Учеб. для вузов МЧС России по специальности 280104.65 - Пожарная безопасность / В.Р. Малинин, В.И. Климкин, С.В. Аникеев и др. - СПб.: СПбУ ГПС МЧС России, 2011. - 279 с.

3. Расчетные методы оценки пожаровзрывоопасности горючих жидкостей [Текст]: Учеб. пособие / А.А. Мельник, В.П. Крейтор, Е.Г. Коробейникова, М.Е. Шкитронов. - СПб.: СПбУ ГПС МЧС России, 2010. - 137 с.

ДИСТАНЦИОННЫЙ ДЫМОВОЙ ПОЖАРНЫЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ

В.И. Цапков, профессор, д.ф.-м.н., профессор,

В.В. Кузьмин, доцент, Академия ГПС МЧС России, г. Москва

Основным признаком возгорания является дым, поскольку на первой стадии пожара происходит тление материала, сопровождающееся задымлением, а лишь затем образуются открытые очаги пламени и, следовательно, выделение тепла. Поэтому сегодня дымовые пожарные извещатели (ПИ) являются самыми распространенными. В основе их работы лежат различные принципы обнаружения дыма. Работа описываемого в данной публикации ПИ основана на