CC BY
7Алексеев С. Г., канд. хим. наук, доц., Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС России
Пищальников А. В., соискатель, Судебно-экспертное учреждение федеральной противопожарной службы «Испытательная
пожарная лаборатория по Пермскому краю» БарбинН. М., д-р техн. наук Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС России
Калач А. В., д-р хим. наук, доц., Калач Е. В. канд. техн. наук, Плаксицкий А. Б. канд. физ.-мат. наук Воронежский институт Государственной противопожарной службы МЧС России
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯУДЕЛЬНЫХ БЕЗОПАСНЫХ ОБЪЕМОВ ПОМЕЩЕНИЙ С ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИМИСЯ ЖИДКОСТЯМИ
pab13@mail.ru
В представленной работе найдены удельные безопасные объемы помещений объектов, в которых храниться или используется ЛВЖ, на примере территории г. Воронежа и Воронежской области. Дан сравнительный анализ отечественного и американского подходов прогноза удельных безопасных объемов помещений.
Ключевые слова: помещение, избыточное давление, ЛВЖ, безопасность, расчет.
При проектировании новых промышленных, складских и лабораторных помещений, в которых используются и/или хранятся легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ),необходима обязательная проверка на отнесение их к категории взрывоопасных (категория «А» или «Б» по СП 12.13130.2009[1]). Аналогичная ситуация возникает у надзорных органов госпожнадзора при проведении проверок вышеупомянутых помещений. Проведение расчетов по каждому случаю достаточно трудоемкая задача, поэтому применение подхода определения удельного безопасного объема помещения [2, 3] значительно облегчает решение этого вопроса. В США используется совершено иной подход для определения избыточного давления взрыва в помещениях, поэтому сравнение двух подходов представляет не только научный, но и практический интерес. Поскольку американская и отечественная классификации воспламеняющихся жидкостей на ЛВЖ и горючие жидкости (ГЖ) отличаются друг от друга [4], то предпочтение было отдано отечественному подходу, приведенному в ГОСТ 12.1.044-89* [5]. Таким образом, возникает потребность в проведении расчетов удельных безопасных объемов помещения для ряда основных растворителей из класса ЛВЖ по отечественной и американской методикам.
1. Определение удельных безопасных объемов помещения по СП 12.13130.2009.
Удельный безопасный объем помещения это минимальный объем помещения, отнесенный к аварийному разливу 1 л ЛВЖ, при котором со-
здается избыточное давление взрыва паровоздушной смеси не более 5 кПа.
В Сводах правил[1] для расчета избыточного давления взрыва газо- и паровоздушных горючих смесей предлагаются уравнения:
Лр = (Р -р)^-. 100.—, (1)
^^ V max o ^ ту т-^' ^^
Ксв Рп
сст кн
mAH горР0 Z
у^Р _ , гор 0
КсвРвС TKн
(2)
свЛв р о н
где Рo - начальное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа [1]); m- масса горючих паров ЛВЖ/ГЖ; Z- коэффициент участия горючих газов и паров в горении, для ЛВЖ Z= 0,3 [1]; Vсв- свободный объем помещения, м3; рп— плотность пара ЛВЖ при расчетной температуре кг/м3, вычисляемая по формуле:
р =-М-• Vo - киломольный объем,
У0(1 + 0,00367?р)
равный 22,413 м3/кмоль [1]; ^ - рабочая температура, оС; Сст - стехиометрическая концентрация паров ЛВЖ/ГЖ, % (об.); Кн - безразмерный коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения, Кн = 3 [1]; ДНгор - низшая теплота сгорания, Дж/кг; рв - плотность воздуха при 38 оС, рв = 1,1355 кг/м3; Ср - теплоемкость воздуха при по-
Ср
1,01х103
стоянном давлении, ср Дж/(кг*град.)[1]; То - начальная температура воздуха, То = ^ + 273 = 311 К.
Если вместо избыточного давления подставить 5 кПа и учесть, что свободный объем помещения составляет 80 % от объема помеще-
ния[1],а также, чтоКн = 3 и 2= 0,3, то из формул (1) и (2) можно вывести уравнения для опреде-
ления удельного безопасного объема помещения:
АЧ = (р - Р)
1 V тах о '
ЛУ2 =
100 X т X 0,3
0,8х5хрп хСст х3 тАНгор х 0,3
= (Р -Р)
V тах о'
2,5т
РпСст
тЛН горР0
0,8 х 5 хРвСрТо х 3 40 х р£рТс
(3)
(4)
в р о
Неизвестная масса горючих паров ЛВЖ (т) рассчитана с помощью уравнений (5) и (6) [1].
Ж = 10-6 х ц4ы х Рнас, (5)
т = ЖРит, (6)
где W - интенсивность испарения растворителя, кг/(м2*с); Рнас - давление насыщенных паров при рабочей температуре (гр), кПа, вычисляемое по
уравнению Антуана: 1§рнас = А -
В
С + г р
; А, В иС -
константы [6]; п- коэффициент, учитывающий скорость и температуру воздушного потока над поверхностью испарения (см. табл. 2); Би - расчетная площадь испарения, для 1 л чистого сольвента = 1 м2 [1]; т - максимальное расчетное время свободного испарения, т = 3600 с [1]
Рабочая температура в помещении принимается с учетом технологического процесса или по абсолютной максимальной температуре для определеннойтерритории субъекта Российской
Федерации. Принимая во внимание, что абсолютная максимальная температура воздуха в нашей стране колеблется от 22 до 45 оС [7], а ограниченный объем статьи не позволяет рассмотреть данный температурный диапазон в полном объеме, поэтому расчеты выполнены для региона Воронежской области, где рабочая аварийная температура (гр) составляет 38 оС [7].
Для исследования выбраны растворители с учетом американской базы данных [8]. Исходные данные, включая результаты промежуточных расчетов для 9 ЛВЖ, приведены в таблице 1. Прогноз определения удельных безопасных объемов (ДУ1и ДУ2) помещений по уравнениям (3) и (4) представлен в таблице 2, из которой видно, что результаты расчетов ДУ1и ДУ2 различаются в 1,2-2,8 раза. Это вероятно обусловлено несовершенством методик определения избыточного давления, изложенных в СП 12.13130.2009 [1].
Таблица 1
Исходные данные для определения удельных безопасных объемов помещений
с ЛВЖ по СП 12.13130.2009
ЛВЖ tвсп, ос М, кг/кмоль Рнас, кПа (38 оС) Рп, кг/м3 (38 оС) СсТ, % (об.) Р ^ тах, кПа AНгор, кДж/кг Рж, кг/м3 -^х102, кг/(м2хс) кр
Метанол 6 15 32,041 32,258 1,255 12,11 620 20000 (23839,0) 796 (786,9) 2,2 (2,59) 8
Этанол 13 46,068 16,134 1,804 6,44 680 26800 (30563,5) 794 (785) 2,2 (3,7) 8
Бензол -11 78,114 22,441 3,059 2,68 880 40100 (40576,1) 874 (873,7) 8,5 (11,2) 2,7
Гексан -23 -22 86,178 30,831 3,374 2,13 850 44700 (45103,3) 650 (654,8) 7,4 (10,3) 1,9
Гептан -4 100,205 11,309 3,924 1,84 843 44600 (44917,9) 675 (683,8) 10,1 (8,97) 1,1
Ксилол 29 23 106,168 2,386 4,157 1,93 765 40800 (52830,4) 870 (855) 9 (8,8) 1,4
Ацетон -18 46,068 52,387 1,804 6,44 570 25800 (39537,2) 791 (790,8) 4,1 (5,96) 1,9
1,4-Ди-оксан 12 88,104 9,351 3,450 3,97 820 26200 (23990,5) 1035 (1033) 1,8 5,4
Диэтило-выйэфир -41 -45 74,122 114,343 2,902 3,33 720 34200 (34146,4) 714 (713,5) 8,5 (10,83) 0,7
Примечания.
Iвсп- температуравспышки в закрытом тигле [6, 9, 10];Ртах- максимальное давление взрыва [9, 10]; ЛНгор, рж wв - низшая теплота сгорания, плотность и массовая скорость выгорания ЛВЖ [8, 11], для сравнения в скобках показаны отечественные значения этих параметров[9, 10], низшая теплота сгорания для 1,4-диоксана рассчитана по формуле Менделеева [12]; кр - эмпирическая константа; ксилол - смесь орто-, пара- и мета-ксилолов, в которой основным компонентом является мета-ксилол (~40-65 %), максимальное давление взрыва и низная теплота сгорания взяты по основному веществу смеси [9].
Таблица 2
Результаты определения удельных безопасных объемов помещений с ЛВЖ по СП 12.13130.2009
Скорость воздушного потока 0 м/с, "л =1 [1
ЛВЖ Wx103, кг/(м2хс) т, кг дУ1 ау2 аУ2/аУ1
Метанол 0,182594 0,657 56,2 110,9 2,0
Этанол 0,109504 0,394 49,1 85,3 1,7
Бензол 0,198334 0,714 169,6 205,1 1,2
Гексан 0,286211 0,655* 170,7 209,1 1,2
Гептан 0,113210 0,408 104,5 129,6 1,2
Ксилол 0,024585 0,089 18,3 33,1 1,8
Ацетон 0,355567 0,791* 79,8 221,3 2,8
1,4-Диоксан 0,087771 0,316 41,5 53,7 1,3
Диэтиловый эфир 0,984428 0,714* 114,3 172,5 1,5
Скорость воздушного потока 0,1 м/с, ^ =1,6 [1]
ЛВЖ Wx103, кг/(м2хс) т, кг аУ! ау2 ау2/ау1
Метанол 0,292151 0,787* 67,2 132,8 2,0
Этанол 0,175206 0,631 78,6 136,5 1,7
Бензол 0,317335 0,874* 207,5 250,9 1,2
Гексан 0,457938 0,655* 170,7 209,1 1,2
Гептан 0,181135 0,652 167,2 207,4 1,2
Ксилол 0,039337 0,142 29,3 53,0 1,8
Ацетон 0,568908 0,791* 79,8 221,3 2,8
1,4-Диоксан 0,140433 0,506 66,4 85,9 1,3
Диэтиловый эфир 1,575084 0,714* 114,3 172,5 1,5
Скорость воздушного потока 0,2 м/с, ^ =2,3 [1"
ЛВЖ Wx103, кг/(м2хс) т, кг аУ! ау2 ау2/ау1
Метанол 0,419967 0,787* 67,2 132,8 2,0
Этанол 0,251858 0,785* 97,8 169,8 1,7
Бензол 0,456169 0,874* 207,5 250,9 1,2
Гексан 0,658286 0,655* 170,7 209,1 1,2
Гептан 0,260382 0,684* 175,3 217,4 1,2
Ксилол 0,056546 0,204 42,1 76,1 1,8
Ацетон 0,817805 0,791* 79,8 221,3 2,8
1,4-Диоксан 0,201873 0,727 95,4 123,4 1,3
Диэтиловый эфир 2,264184 0,714* 114,3 172,5 1,5
Скорость воздушного потока 0,5 м/с, ^ =3,2 [1"
ЛВЖ Wx103, кг/(м2хс) т, кг аУ! ау2 ау2/ау1
Метанол 0,584302 0,787* 67,2 132,8 2,0
Этанол 0,350411 0,785* 97,8 169,8 1,7
Бензол 0,634670 0,874* 207,5 250,9 1,2
Гексан 0,915876 0,655* 170,7 209,1 1,2
Гептан 0,362270 0,684* 175,3 217,4 1,2
Ксилол 0,078673 0,283 58,6 105,9 1,8
Ацетон 1,137815 0,791* 79,8 221,3 2,8
1,4-Диоксан 0,280867 1,011 132,8 171,7 1,3
Диэтиловый эфир 3,150168 0,714* 114,3 172,5 1,5
Скорость воздушного потока 1 м/с, ^ =4,6 [1]
ЛВЖ Wx103, кг/(м2хс) т, кг дУ1 ау2 ау2/ау1
Метанол 0,839934 0,787* 67,2 132,8 2,0
Этанол 0,503716 0,785* 97,8 169,8 1,7
Бензол 0,912338 0,874* 207,5 250,9 1,2
Гексан 1,316572 0,655* 170,7 209,1 1,2
Гептан 0,520764 0,684* 175,3 217,4 1,2
Ксилол 0,113093 0,407 84,2 152,3 1,8
Ацетон 1,635610 0,791* 79,8 221,3 2,8
1,4-Диоксан 0,403746 1,033* 135,6 175,4 1,3
Диэтиловый эфир 4,528367 0,714* 114,3 172,5 1,5
* За расчетное время т (3600 с) растворитель испаряется полностью.
2. Определение удельных безопасных объемов помещения по методу Карлссона и Квинтая. Комиссия по регулированию атомной энергетики США (U.S. Nuclear Regulatory Commission) рекомендует метод Карлссона и Квинтая (The Method of Karlsson and Quintiere) для прогнозирования избыточного давления в закрытых помещениях [8]. В этом методе рассматривается условия повышения избыточного давления в помещении в результате горения пролитой жидкости. Задача решается в приближении идеальных газов, для которых при постоянном объеме справедливо отношение (7).
АР АТ (7)
Р Т
го 1 о
В дальнейшем уравнение (7) с учетом формулы (8) преобразуется в соотношение (9), которое используется для определения избыточного давления в закрытом помещении [8, 11, 13].
= VpJC^AT (8)
AP
Po
qri
(9)
улСЛ
где q- скорость тепловыделения, кВт/м2; т1 -время после поджигания, обычно принимают, что XI = 10 с; V - объем помещения, м ; рв -плотность воздуха при 38 оС, рв = 353/То= 1,1350 кг/м3[8]; Су- теплоемкость воздуха при постоян-
ном объеме, Су = 0,723 кДж/(кг*град.).(Для воздуха Ср - Су = 0,287 кДж/(кгхград) [12]). Для определения скорости тепловыделения предложено уравнение (10) [8, 13].
q = ™вАНгор?я (1 -1/е^ ) (10)
где Б - диаметр площади горения, ц = р^и =
V ж
1,284м.
В применении к условиям нашей задачи (АР = 5 кПа) уравнение (9) преобразовано в формулу (11).
qГlP0
лУ3 = ■
5р£Х
где ДУ3 - удельный объем помещения, м3. Исходные данные (ДН
(11)
ГОр; кр) представлены в таблице 1. В ходе предварительных расчетов найдено, что значение коэффициента кр для метанола и этанола можно принять не 100, как это указано в работе [8], а 8, так как при кр > 8 величины скорости тепловыделения^) для этих соединений практически не изменяются.
Результаты расчетов qи ДV3приведены в таблице 3. Принимая во внимание, что ДУ^и ДУ2найдены с учетом свободного объема помещения, нами произведен расчет удельных безопасных объемов помещений (ДУ4)с поправкой на свободный объем помещений.
Таблица 3
Результаты определения удельных безопасных объемов помещений с ЛВЖ по методу Карлссона и Квинтая
ЛВЖ q, кВт/м ДУ3, м3 ДУ4, м3 ДУ4/ДУ1
Метанол 44,00 34,8 43,5 0,8
Этанол 58,96 46,7 58,3 1,2
Бензол 330,21 261,4 326,7 1,9
Гексан 301,94 239,0 298,7 1,7
Гептан 340,75 269,7 337,1 3,2
Ксилол 306,36 242,5 303,1 16,6
Ацетон 96,56 76,4 95,5 1,2
1,4-Диоксан 47,11 37,3 46,6 1,1
Диэтиловый эфир 172,37 136,4 170,5 1,5
Примечание.
V4 = V/0,8.
3. Сравнительный анализ методов расчета избыточного давления в помещениях по СП 12.13130.2009 и методу Карлссона и Квин-тая.В СП и методе Карлссона и Квинтая заложены различные сценарии развития теоретической аварийной ситуации, связанной с разлитием ЛВЖ. В сводах правилах рассматривается вариант объемной вспышки (взрыва) паровоздушной смеси, а в американской методике рассматривается сравнительно медленный рост избыточного давления в результате выгорания воспламеняющейся жидкости. Несмотря на это
для спиртов, ацетона и диоксана результаты прогноза ДУ4сопоставимы с результатами расчета ДУЬ а для диэтилового эфира с величинойДУ2 (см. табл. 2 и 3). Для углеводородных растворителей (бензол, гексан, гептан, ксилол) американский подход дает завышенные значения удельного безопасного объема по сравнению с отечественной методикой (см. табл. 2 и 3).
Выводы.
1. Найдены удельные безопасные объемы помещений объектов, в которых храниться или
используется ЛВЖ, на примере территории г. Воронежа и Воронежской области. Полученные результаты могут использоваться проектными организациями и надзорными органами в их практической деятельности.
2. Показано, что российская и американская методики определения избыточного давления в результате расчетной аварийной ситуации, связанной с разлитием ЛВЖ, построены на различных сценариях развития событий. В отечественном методе заложен вариант объемной вспышки (взрыва) паровоздушной смеси, сопровождающийся мгновенным подъемом избыточного давления в помещении, а в американский метод базируется на сравнительно медленном росте избыточного давления в результате выгорания ЛВЖ. Несмотря на это оба подхода дают сопоставимые результаты прогноза безопасных объемов помещений, в которых хранятся или используются неуглеводородные растворители.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. Доступ из справ.-правовой системы «Консуль-тантПлюс».
2. О взрывопожароопасности водочной продукции / С. Г. Алексеев, Н.М. Барбин, А.С.Авдеев, А.В. Пищальников // Пожаровзры-вобезопасность. 2009. Т. 18, № 2. С. 20-23.
3. Пожаровзрывобезопасность хроматогра-фической аналитической лаборатории / О. Б. Рудаков, С.Г.Алексеев, Н.В.Бердникова, А.В.Калач, Н.М. Барбин // Пожаровзрывобезопасность. 2012.Т. 21, № 1.С. 57-60.
4. Алексеев С. Г. , Смирнов В. В., Барбин Н.М.Температура вспышки. Часть I. История вопроса, дефиниции, методы экспериментального определения // Пожаровзрывобезопас-ность.2012.Т. 21, № 1. С. 35-41.
5. ГОСТ 12.1.044-89*. ССБТ. Пожаровзры-воопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. Доступ из сборника НСИС ПБ. 2011. № 2 (45).
6. Smallwood, I. M. Handbook of Organic Solvent Properties N.Y.: Halsted Press, 1996. 303 P.
7. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. Доступ из справочно-правовой системы «КонсультантПлюс».
8. Iqbal N. Fire Dynamics Tools (FDTs):Quantitative Fire Hazard Analysis Methods for the U.S. Nuclear Regulatory Commission. Fire Protection Inspection Program. Final Report. NU-REG. Washington: NRR & NRC, 2004. 1008 pp.
9. . Корольченко А.Я, Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник: в 2-хч. М.: Асс. «Пожнаука», 2004. Ч. 1. 713 с.
10. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник: в 2-х ч. М.: Асс. «Пожнаука», 2004. Ч. 2. 774 с.
11. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering / byed. P. J. Di Nenno. - Quincy: NFPA, 2002. 1604 pp.
12. Демидов П. Г., Саушев В. С.Горение и свойства горючих веществ- М.: ВИПТШ, 1975. 280 с.
13. Karlsson B., Quintiere J.G.. Enclosure Fire Dynamics- Boca Raton: CRC Press, 2000. 336 pp.
