Выбор показателя устойчивости пожаро- и взрывоопасного объекта к воздействию воздушной ударной волны аварийного взрыва Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

БЕЗОПАСНОСТЬ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ

ВЫБОР ПОКАЗАТЕЛЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЖАРО-И ВЗРЫВООПАСНОГО ОБЪЕКТА К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВОЗДУШНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ АВАРИЙНОГО ВЗРЫВА

В.Т. Аверьянов, кандидат военных наук. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Предлагается последовательность проведения анализа устойчивости пожаро-и взрывоопасного объекта в условиях аварийного взрыва и порядок определения предела его устойчивости.

Ключевые слова: инженерно-технический комплекс, предел устойчивости

CHOICE OF AN INDICATOR OF STABILITY OF A FIRE- AND EXPLOSIVE OBJECT TO INFLUENCE OF AN AIR SHOCK WAVE OF EMERGENCY EXPLOSION

V.T. Averyanov. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

The sequence of carrying out the analysis of stability of a fire and explosive object in the conditions of emergency explosion and an order of definition of a limit of its stability is offered.

Keywords: technical complex, stability limit

В качестве количественного показателя устойчивости пожаро- и взрывоопасного объекта к воздействию воздушной ударной волны взрыва принимается значение избыточного давления ДРФ, при котором элементы инженерно-технического комплекса (ИТК) сохраняются или получают слабые или средние разрушения. За предел устойчивости элемента ИТК ДРФпр принято считать нижнюю границу ДРФ средних разрушений (на определенном расстоянии от центра взрыва R^ [1].

Таким образом, анализ устойчивости объекта к воздействию воздушной ударной волны взрыва заключается в определении предела устойчивости ДРФпр элементов ИТК и объекта в целом.

Анализ устойчивости элементов ИТК и пожаро- и взрывоопасного объекта в целом предлагается проводить в следующей последовательности:

- определение избыточного давления во фронте воздушной ударной волны ДРФ на различном удалении R от источника чрезвычайной ситуации;

- подготовка масштабной схемы объекта;

- выбор элементов ИТК, разрушения которых влияют на функционирование объекта;

- определение значений ДРФ, при которых наступают слабые, средние и сильные разрушения элементов ИТК объекта;

- определение предела устойчивости ДРФпр элементов ИТК и объекта в целом (рис. 1).

Выбор элементов, разрушение которых

влияет на функционирование объекта

Определение значений ДРф , при которых наступают слабые, средние и сильные разрушения

Определение

предела устойчивости элементов ИТК и объекта в целом

Исходные данные:

Схема объекта с характеристикой элементов ИТК

Таблицы степени разрушения элементов ИТК при различных значениях ДРф [1-3]

Рис. 1. Последовательность анализа устойчивости

Определение избыточного давления во фронте воздушной ударной волны ЛРФ на различном удалении Я от источника взрыва (чрезвычайной ситуации)

Необходимо отметить, что при взрыве горюче-воздушных смесей (ГВС), взрывчатых материалов (ВМ), а также углеводородных газов (УВГ) или различных газовых смесей наибольшее практическое значение имеет знание характера изменения ДРф в зоне действия воздушной ударной волны. Поэтому для анализа и сравнительной оценки устойчивости различных элементов ИТК пожаро- и взрывоопасного объекта в дальнейшем при расчетах используется единый показатель ДРФ.

В зоне действия воздушной ударной волны зависимость давления ДРФ от расстояния Я и массы заряда 0 имеет вид:

лг> л, 0,084 , АР ф = '_— +

Я Я

0,27 , 0,2

'2

+

(1)

Я

где Я - приведенный радиус, м:

Я =

Я

Ш

Формулой (1) удобно пользоваться при компьютерных расчетах.

На практике чаще используют в расчетах и табличные значения спада ДРФ для массы взрывоопасных веществ 0таб равной 1000 т [2] (для взрыва ВМ такие значения приведены в [1, с. 75] или в [2, с. 31], для взрыва ГВС в [1, с. 75] или в [2, с. 31], для УВГ в [1, с. 76] или [2, с. 31]).

Для массы взрывоопасных веществ, равной 1000 т, характер изменения ДРФ=/(Я) представлен в табл. 1.

3

Значения ДРФ, кПа Расстояние от источника ЧС, м

при взрыве ГВС при взрыве ВМ при взрыве УВГ

ОТаб=1000 т Отаб=1000 т Отаб=1000 т

300 320 - 310

250 - 180 -

200 380 200 410

100 520 280 500

50 760 400 800

30 1040 540 1100

20 1340 690 1400

10 1920 1120 2000

Анализ данных приведенных в табл. 1, показывает, что одинаковые значения избыточных давлений во фронте ударной волны при взрыве ВМ возникают при значительно меньшем удалении от центра взрыва, чем при взрыве ГВС и УВГ, что объясняется особой природой и характером взрывов указанных смесей и газов.

Разница в удалении от центра взрыва фиксированных значений избыточных давлений при взрыве ГВС и УВГ невелика.

Для любого вида взрыва изменение избыточного давления воздушной ударной волны ДРФ в зависимости от расстояния Я от центра взрыва и массы взрывоопасного материала О подчиняется закону подобия взрывов (ЗПВ), который выражается для фиксированного значения ДРФ отношением:

(2)

ят = ^ ¡вг

Я Ф Р Ф

где - табличное значение расстояния от центра взрыва для приведенной в табл. 1 массы ЯФ - фактическое значение расстояния для фактической массы ОФ.

С использованием закона подобия взрывов (2), определяется на каком удалении от центра взрыва, будут иметь место заданные избыточные давления:

Я, = т

. (3)

Я,

ф

3

1

^Ф

Использование закона подобия взрывов (2) и данных табл. 1 позволяет определить ряд фактических значений расстояний ЯФ (3) при любой массе взрывоопасного вещества для фиксированных значений ДРФ и построить график зависимости ДРФ= /(ОД).

Так как табличные значения ОТ=1000 т и не равны фактическим (заданным) значениям массы (например, ОГВС=120 т; ОВМ=50 т; ОУВГ=49,4 т), то с использованием закона подобия взрывов (3) определяется, на каком удалении от центра взрыва будут иметь место заданные избыточные давления (табл. 2).

Используя данные табл. 2 для последующих расчетов, строится график изменения избыточного давления ДРФ в зависимости от удаления центра взрыва. Например, для построения графика, где масса ГВС составляет 120 т, задаемся значением избыточного давления ДРФ во фронте воздушной ударной волны: ДРФ= 300, 200, 50, 30, 20 и 10 кПа.

Значения ДРФ, кПа Расстояние от источника ЧС, м

при взрыве ГВС при взрыве ВМ при взрыве УВГ

0таб=1000 т Офакт 120 т 0таб=1000 т Офакт 50 т 0таб=1000 т 0факт=49,4 т

300 320 158 - - 310 115

250 - - 180 67 - -

200 380 187 200 74 410 152

100 520 256 280 104 500 185

50 760 374 400 150 800 296

30 1040 512 540 200 1100 407

20 1340 660 690 255 1400 519

10 1920 946 1120 415 2000 741

С использованием закона подобия взрывов (2, 3) и табл. 1 определяются соответствующие значения ЯФ:

Я

320

300

'1000

158 м •

120

Я200=187 м; Я100=256 м; Я50=3 74 м; Я30=512 м; Я20=660 м; Я10=964 м. Пример построения графика и характер кривой ДРФ=/(0,Я) приведены в работе [2, с. 34] и на рис. 2.

К (ипум)

Рис. 2. Графики изменения АРф=/(0,Я)

Построенные по приведенной методике графики ДРФ=/(0,Я) позволяют определить:

- границу зоны ЧС (разрушений);

- величину избыточного давления ДРФ на любом удалении от центра взрыва;

- степень и объемы разрушений элементов ИТК, расположенных от центра взрыва на известных расстояниях;

- радиусы функционирования ЯФ безопасности для размещенных на объекте сооружений и устройств.

Подготовка масштабной схемы объекта

Подготовка масштабной схемы объекта состоит в том, что на основе определения и анализа возможных источников аварийных взрывов на схеме определяют центры взрывов (ЦВ) и их характеристики (вид и масса взрывоопасного вещества).

При взрывах принято считать, что внешней границей зоны ЧС (очага поражения) является условная линия на местности, где избыточное давление во фронте воздушной ударной волны ДРФ составляет 10 кПа.

В соответствии с обстановкой на схеме объекта отмечают положение точек (центров) возможных взрывов. Из каждого ЦВ наносят на схему (в масштабе, например 1:150) окружность, на границах которой избыточное давление ДРФ составляет 10 кПа. Такое избыточное давление считается безопасным для незащищенных людей. Радиус окружности Я определяется по графику зависимости ДРФ=/(0Д) (рис. 2), построенному для соответствующего вида взрыва (ГВС, ВМ, УВГ) или по данным табл. 2. Это расстояние Я является одновременно радиусом безопасности Я для людей и радиусом функционирования Яф для элементов ИТК.

Площадь нанесенного круга представляет собой зону ЧС.

За пределами зоны ДРФ< 10 кПа подавляющее большинство сооружений и устройств не разрушаются, возможны лишь их повреждения. Это позволяет ограничиться анализом устойчивости возможного состояния при взрыве элементов ИТК объекта, расположенных только в пределах окружности, где ДРФ > 10 кПа.

Выбор элементов ИТК, разрушение которых влияет на функционирование объекта

На каждом объекте имеются основные, второстепенные и вспомогательные элементы. Без некоторых второстепенных и вспомогательных элементов производственный процесс может продолжаться в условиях ЧС. Поэтому в пределах окружности на схеме определяются (выделяются) основные элементы, от бесперебойной работы которых зависит обеспечение непрерывного производства. На схеме объекта около каждого основного элемента ИТК указывается присвоенный ему номер. Выбранные элементы ИТК выписываются с указанием укрупненных характеристик в табл. 3.

Таблица 3. Элементы ИТК, разрушение которых влияет на функционирование объекта (вариант)

№ п/п Элементы ИТК Номер элемента ИТК Характеристика элементов ИТК

1. Железнодорожный путь I Рельсы Р-65, шпалы бет., балласт щ/б

2. Подвижной состав (вагоны, ж.д. цистерны) - С усредненными характеристиками

3. Убежище №1 3 Отдельностоящее, ДРфрасч = 200 кПа, на 200 чел.

4. Пожарное депо (12 ед. пожарной техники) 2 2-х этажное кирпичное здание

5. Заводоуправление 4 Многоэтажное адм. кирпичное здание

6. Трансформаторная 19 Одноэтажное кирпичное здание

7. Контактная сеть - Кабельные, вдоль I и II путей

8. Котельная завода 23 -

9. Водонапорная башня 18 Многоэтажное кирпичное здание

10. Насосная станция НС Одноэтажное кирпичное здание

11. Вычислительный центр 7 Многоэтажное кирпичное здание

12. Линия связи 22 Кабельные

№ п/п Элементы ИТК Номер элемента ИТК Характеристика элементов ИТК

13. Сварочный цех 11 Одноэтажное кирпичное здание

14. Понижающая подстанция 20 Кирпичное здание

15. Электростанция (высокооборотный дизель с генератором) 9 Одноэтажное кирпичное здание

16. Пешеходный мост 24 Металлический, Ьпр - 45 м

17. Пункт слива АХОВ I-II -

18. Водозаборные сооружения 21 Типовые

Определение значений ЛРФ, при которых наступают слабые, средние и сильные

разрушения элементов ИТК объекта

Известно, что воздушная ударная волна взрыва вызывает разрушения или повреждения железнодорожного пути, подвижного состава, зданий, элементов связи, водоснабжения и других элементов ИТК объекта.

Качественное состояние разрушенных элементов ИТК в зонах ЧС оценивается соответствующей степенью разрушения: слабой, средней, сильной и полной.

В связи с тем, что при полном и сильном разрушениях здания, сооружения и технические средства не восстанавливаются, в справочных данных и расчетах часто используют только три степени разрушений - слабую, среднюю и сильную.

Анализ устойчивости элементов ИТК с определением избыточных давлений ДРФ, при которых происходят разрушения различной степени, осуществляется с учетом выявленных характеристик элементов по справочным данным [1, с. 83] или [2, с. 33] или расчетным путем.

Для выбранных элементов ИТК (табл. 3), используя указанные выше справочные данные (например [2, с. 33]), определяются граничные значения избыточных давлений ДРФ, при превышении которых наступают слабые, средние и сильные разрушения элементов ИТК объекта, и полученные результаты заносятся в табл. 4. Следует пояснить, что указанные в справочных данных [2, с. 33] интервалы с минимальными и максимальными значениями избыточного давления ДРФ, характеризующие определенную степень разрушения, например, для железнодорожного пути и подвижного состава приведены для случая, когда фронт ударной волны распространяется перпендикулярно к оси пути и боковой стороне подвижного состава (наихудший вариант). При распространении ударной волны вдоль оси железнодорожного пути подвижной состав выдерживает избыточное давление (давление скоростного напора) в 1,5-2 раза больше табличных значений, а железнодорожный путь получает сильные и полные разрушения в основном в пределах воронки.

Таблица 4. Степени разрушения элементов ИТК объекта при различных избыточных давлениях во фронте ударной волны

Наименование выбранных элементов ИТК Предельные значения ДРФ, при превышении которых наступают разрушения, кПа Предел устойчивости элементов ИТК

слабое среднее сильное

Железнодорожный путь 100 150 300 150

Подвижной состав (вагоны, ж. д. цистерны) 20 40 60 40

Убежище № 1 100 140 180 140

Пожарное депо(12 единиц пожарной техники) 8 10 20 10

Заводоуправление 8 10 20 10

Трансформаторная 10 30 60 30

Контактная сеть 8 10 20 10

Наименование выбранных элементов ИТК Предельные значения ДРФ, при превышении которых наступают разрушения, кПа Предел устойчивости элементов ИТК

слабое среднее сильное

Котельная завода 8 10 20 10

Водонапорная башня 10 30 60 30

Насосная станция 10 15 25 15

Вычислительный центр 8 10 20 10

Линия связи 20 50 70 50

Сварочный цех 10 30 60 30

Понижающая подстанция 10 20 60 20

Электростанция 10 20 60 20

Пешеходный мост 50 100 200 100

Пункт слива АХОВ 20 30 40 30

Водозаборные сооружения 400 600 1000 600

Склад ГСМ 75 85 95 85

Определение предела устойчивости ЛРФпр элементов ИТК и объекта в целом

Для оценки сопротивляемости сооружений и устройств действию ударной волны необходимо знать их предел устойчивости - предельное значение избыточного давления во фронте воздушной ударной волны, при превышении которого функционирование сооружений и устройств невозможно.

Необходимо напомнить, что за предел устойчивости элемента ИТК ДРФпр принимается нижняя граница ДРФ средних разрушений (на определенном расстоянии от центра взрыва ЯФ).

Смысл указанного выше положения состоит в том, что, попадая в зону слабых разрушений, сооружению требуется текущий ремонт, но его временное использование возможно с определенными ограничениями. При превышении предела устойчивости сооружения (попадание его в зону средних разрушений) дальнейшее использование сооружения становится невозможным без проведения среднего ремонта.

На основании анализа табл. 4 определяется предел устойчивости элементов ИТК и пожаро- и взрывоопасного объекта в целом.

Так, сопоставляя пределы устойчивости всех элементов ИТК, находим, что предел устойчивости пожаро- и взрывоопасного объекта равен 10 кПа, то есть равен наименьшему пределу устойчивости всех рассматриваемых элементов ИТК.

Таким образом, можно сделать следующий вывод:

- во-первых, анализ устойчивости объекта к воздействию ударной волны сводится к определению ДРФпр;

- во-вторых, ДРФпр и степень разрушения элементов ИТК количественно характеризуется граничными значениями ДРФ во фронте воздушной ударной волны. Для основных сооружений и устройств пожаро-и взрывоопасного объекта эти значения приведены в [1, с. 83] и [2, с. 33];

- в-третьих, подготовка данных о характере изменения избыточного давления ДРФ при взрыве в зависимости от массы взрывоопасного вещества Q и расстояния R, а также об устойчивости сооружений и устройств позволяет перейти непосредственно к определению степени и объемов разрушений элементов ИТК, то есть к оценке инженерной обстановки с использованием схемы пожаро-и взрывоопасного объекта [4].

Литература

1. Аверьянов В.Т., Федотов Ю.В., Шепелюк С.И. Устойчивость объектов экономики в чрезвычайных ситуациях. Прогнозирование устойчивости: учеб. пособие / под общ. ред. В С. Артамонова. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2012. 296 с.

2. Аверьянов В.Т. Прогнозирование возможных объемов и степени разрушений в зоне аварийного взрыва // Проблемы управления рисками в техносфере. 2007. № 1. С. 29-38.

3. Защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций / С.А. Буланенков [и др.]; под общ. ред. М.И. Фалеева. Калуга: ГУП «Облиздат», 2001. 480 с.

4. Аверьянов В.Т. Прогнозирование устойчивости технологического оборудования критически важного объекта экономики к воздействию ударной волны взрыва: материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы защиты населения и территорий от пожаров и катастроф». СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2006.