Взрыв газа на газонаполнительной станции в поселке чагода. Причины и последствия Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

А. А. КОМАРОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры гидравлики, Московский государственный строительный университет (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26) Г. В. ВАСЮКОВ, канд. техн. наук, доцент, заместитель начальника кафедры процессов горения, Академия ГПС МЧС России (Россия, 129301, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4; e-mail: [email protected]) Р. А. ЗАГУМЕННИКОВ, адъюнкт, Академия ГПС МЧС России (Россия, 129301, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4)

Е. В. БУЗАЕВ, аспирант, Московский государственный строительный университет (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26)

УДК 614.835.4

ВЗРЫВ ГАЗА НА ГАЗОНАПОЛНИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ В ПОСЕЛКЕ ЧАГОДА. ПРИЧИНЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ

Проведен анализ явлений, которые привели к взрыву и гибели людей, на примере взрыва газа на газонаполнительной станции в пос. Чагода Вологодской обл. Проведена оценка последствий взрыва, восстановлена приблизительная физическая картина происшедших явлений. Сделан вывод о необходимости совершенствования расчетных методик для оценки величины избыточного давления при взрывах газовоздушных смесей.

Ключевые слова: утечка газа; взрыв; взрывоопасное облако; газонаполнительная станция; де-флаграционное горение.

Горючие газы давно используются как в промышленности, так и в быту. Они являются удобным источником энергии, а также ценным сырьем для химической промышленности. Однако, наряду с полезными свойствами, горючие газы несут и массу проблем, связанных с их высокой пожарной опасностью. Так, каждый год в нашей стране происходят аварии, связанные со взрывами горючих газов, как на промышленных объектах, так и в жилом секторе. Наиболее распространенными горючими газами являются природный газ и пропан-бутан. Они обладают различными физическими свойствами, из них важное значение имеет плотность (природный газ в 1,8 раз легче воздуха, а пропан-бутан в 1,6 раза тяжелее воздуха), что вносит некоторые особенности в механизм возникновения аварийных ситуаций. Однако наиболее тяжелые последствия аварий в зданиях, где обращаются эти газы, возникают по одинаковому сценарию: происходит утечка газа, вследствие чего формируется взрывоопасное газовоздушное облако, которое при появлении источника зажигания воспламеняется и сгорает с ростом избыточного давления. Следует отметить, что наиболее часто причиной аварийных ситуаций становится "человеческий фактор".

Одним из ярких примеров аварий, возникших по этой причине, является взрыв, происшедший 7 февраля 2014 г. в 07:15 утра на газонаполнительной станции в пос. Чагода Вологодской обл. Ситуационный план объекта представлен на рис. 1.

В 07:18 к месту вызова прибыл первый руководитель тушения пожара (РТП-1). Им было обнаружено полностью разрушенное здание административного корпуса ООО "НоваКомПСВ" (рис. 2). Разрушенное здание одноэтажное, прямоугольной формы имело следующие характеристики: общая высота 4,2 м, размеры в плане 13x30,5 м, высотадо потолка 3,9 м, степень огнестойкости II, стены и перегородки кирпичные, перекрытия — плиты железобетонные, покрытие шиферное по деревянной обрешетке. Модель административного корпуса представлена на рис. 3.

Газонаполнительный

Административный корпус»

Стальные ограждения

/ V

ш

Рис. 1. Ситуационный план объекта: 1, 2, 3 — места нахождения пострадавших после взрыва

© Комаров А. А., Васюков Г. В., Загуменников Р. А., Бузаев Е. В., 2014

Рис. 2. Здание административного корпуса ООО "НоваКом-ПСВ" после аварии

Рис. 3. Модель здания административного корпуса ООО "Нова-КомПСВ"

В результате взрыва административного здания стены обрушились наружу, железобетонные перекрытия рухнули вниз, накрыв собой хранившуюся в боксах технику. Доски и их части разлетелись на сотни метров. В зданиях, расположенных в радиусе нескольких сотен метров, было разрушено остекление.

Вследствие взрыва под завалами здания оказались двое пострадавших. Один из них находился в сознании и дал информацию о том, что на момент взрыва с ними был еще один человек. Со слов пострадавшего, все трое зашли в бокс, после чего сразу почувствовали специфический запах пропан-бутана. Двое из них (поз. 1 и 2 рис. 4) решили открыть ворота и проветрить помещение, один (поз. 3 рис. 4), находясь в дверном проеме, нажал выключатель света, в результате чего и произошло воспламенение газовоздушной смеси. Впоследствии его нашли мертвым на расстоянии более 20 м от разрушенного здания в районе стальных ограждений. Модели и алгоритмы поиска людей под завалами описаны в работе [1].

На месте разрушенного здания была обнаружена автоцистерна АЦТ-8(130) для транспортировки

Рис. 4. Схема расположения людей в момент взрыва

Рис. 5. АЦТ-8(130) после аварии (вид слева)

сжиженного пропан-бутана (рис. 5), из фланца на заднем торце которой был виден факел исходящего газа. Отсюда был сделан вывод, что причиной взрыва стала утечка пропан-бутана из автоцистерны. Об этом свидетельствовал факел пламени газа, утечка которого продолжалась и после взрыва. Взрыв произошел утром, а цистерна была поставлена в гаражный бокс накануне, около восьми часов вечера. Таким образом, утечка газа в бокс продолжалась около 11ч. Проведем анализ аварийной ситуации и определим основные параметры взрыва, которые привели к гибели человека и разрушению всего здания.

Основным показателем, характеризующим разрушения при сгорании газовоздушных облаков, является избыточное давление. Существует несколько способов для расчета давления взрыва. Предпочтительной для данного случая является методика, разработанная специалистами МГСУ [2-4], которая основана на ранее проведенных исследованиях [5] и наиболее полно учитывает физические явления, протекающие в процессе дефлаграционного горения:

dP d t

а5(t)(б- 1)ин -ц

2AP

5ПР f (t, AP)

x [VJYi + V2Iу2]-1 P(t),

(1)

где а — коэффициент интенсификации процесса горения;

S(t) — текущее значение площади поверхности фронта пламени;

б — степень расширения смеси при сгорании; ин — нормальная скорость распространения пламени;

ц — коэффициент расхода истекающих через сбросной проем газов; AP — избыточное давление; Pj — плотность холодной газовоздушной смеси (р1) или продуктов сгорания (р2); S^ — суммарная площадь сбросных проемов; f (t, AP) — функциональная зависимость вскрытия предохранительных конструкций; V1, V2 — текущий объем соответственно холодной смеси или продуктов сгорания; у1, у2 — показатель адиабаты соответственно холодной смеси или продуктов сгорания; P(t) — текущее значение давления. По опыту последствий аварий в зданиях, связанных с воспламенением газовоздушных смесей, известно, что разрушение происходит при относительно малой величине избыточного давления. Двери в аварийном помещении открыты с момента воспламенения. Как известно, оконные проемы разрушаются при низком давлении, немногим больше 1 кПа, поэтому принимаем, что заполнение оконных проемов отсутствует. Тогда выражение (1) можно упростить, приняв равными объемы образующихся в процессе сгорания смеси продуктов сгорания и истекающих через сбросные проемы газов:

аS(t)(б - 1)UB = s,

пр

2AP P1 .

(2)

Отсюда можно выразить избыточное давление:

AP =P1 2

аs (t) (б - 1) ин

пр

(3)

Плотность холодной газовоздушной смеси составит р1 = 1,3 кг/м3.

Степень расширения смеси е при сгорании рассчитаем по формуле из [2]:

е = 4 + 4 (Снкпр/ССтх) = 4 + 4 (2/3,5) = 6,3, (4)

где СНКПР — нижний концентрационный предел воспламенения горючего газа в воздухе, % об.;

Снкпр =2 %об.;

Сстх — стехиометрическая концентрация горючего газа в воздухе, % об.; Сстх = 3,5 % об.

Нормальная скорость распространения пламени для пропан-бутан-воздушной смеси стехиомет-рического состава ин = 0,4 м/с.

Общая площадь проемов в аварийном помещении будет равна сумме площадей дверного и оконных проемов. Но так как через окна истекает холодная смесь, а через дверной проем — продукты сгорания, имеющие плотность в е раз ниже по сравнению с холодной смесью, будем использовать следующее соотношение:

5п„ = -Л sm

X sr =

i = 1

где S,

дв £ок

= л/6,3 • 1,6 + 3 • 1,04 = 7,14 м2,

площадь дверного проема, м2; площадь оконного проема, м2.

(5)

Зная особенности распространения фронта пламени по газовоздушным смесям в замкнутых объемах [2, 3], можно предположить, что его распространение происходило следующим образом. Фронт пламени, распространяясь от источника зажигания (выключателя), имел сначала сферическую форму. Однако по мере приближения к оконным проемам он начал вытягиваться в сторону сбросных оконных проемов, замедляя вместе с тем движение вдоль пола и потолка.

Пик давления при сохранении целостности здания возникал при прохождении фронтом пламени ближайшего оконного проема, расположенного на расстоянии 12 м от места воспламенения. В результате этого через оконный проем начали истекать продукты сгорания, плотность которых была в 6,3 раза меньше, чем у холодной смеси. Форма фронта пламени в помещении гаражного бокса представлена на рис. 6.

Площадь поверхности фронта пламени должна составить около 267 м2 при условии, что поверхность гладкая. Однако в действительности поверхность фронта пламени имеет ячеистую структуру (рис. 7), вследствие чего произошла стихийная интенсификация его развития. Ячеистая структура фронта пла-

Рис. 6. Форма фронта пламени в аварийном боксе

2

мени обусловила интенсификацию процесса горения, увеличив его площадь до 2 раз [2, 6]. Мы приняли коэффициент турбулизации в рассматриваемой аварийной ситуации равным среднему значению — а = 1,5.

Подставляя вычисленные значения в выражение (3), определим избыточное давление, которое могло возникнуть при взрыве газовоздушной смеси в аварийном помещении:

ЛР = 13 (',5'267 - ^ - " - °,4) 2= 9,2 кПа. (6)

Расчет воздействия потока газов на людей

Как отмечалось ранее, в момент взрыва в помещении находилось 3 чел. В результате аварии первый пострадавший (см. рис. 1, поз. 1) получил термические ожоги 1-3-й степени рук, ног и головы, перелом правой плечевой кисти и находился в состоянии травматического шока. Второй пострадавший (см. рис. 1, поз. 2) получил закрытую черепно-мозговую травму, ушиб головного мозга, термические ожоги 1-2-й степени обеих кистей рук, ушибленную рану на височной области головы и находился без сознания. Третий пострадавший (см. рис. 1, поз. 3) получил травмы, несовместимые с жизнью.

По сведениям очевидцев на всех троих пострадавших одежда в местах неплотного прилегания к телу была сильно разорвана. Это объясняется тем, что продолжительность сгорания газовоздушной смеси при ламинарном распространении фронта пламени составляет:

т =

12

Б U

6,3 • 0,4

4,8 с,

(7)

где Ьф — длина распространения фронта пламени от источника зажигания до ближайшего оконного проема.

При взрыве формируются мощные газодинамические потоки, которыми и вызваны такие травмы

Рис. 8. Газодинамический поток, формируемый в проеме

людей [7]. Пример истечения газовых потоков через проем представлен на рис. 8.

Дверной проем располагался в непосредственной близости от выключателя света, послужившего источником зажигания, поэтому через него почти сразу начали истекать продукты сгорания. Так как расчетное избыточное давление взрыва небольшое, допустимо рассчитывать скорость истечения продуктов сгорания Уист (м/с) по формуле

V =

ист

2AP

Р2

2•9200 0,21

' 296 м/с,

(8)

где р2 — плотность продуктов сгорания; р2 = р1/е =

= 1,3/6,3 =0,21 кг/м3.

В наибольшей степени истекающий поток газов оказывал воздействие на человека, вошедшего в помещение последним и оказавшегося фактически в дверном проеме (см. рис. 4, поз. 3). При давлении АР = 9,2 кПа, массе человека тч = 80 кг и площади вертикальной проекции S4 = 0,7 м2 ускорение, сообщаемое потоком газов человеку, ач (м/с) составит:

APS ч 9200 • 0,7 ,

ач =-- =-™-~ 80,5 м/с. (9)

тч 80

Под действием такого скоростного потока газов человек, стоящий в дверном проеме, был вынесен из здания и, пролетев более 20 м, столкнулся со стальными ограждениями, вследствие чего и погиб.

Расчет параметров образования взрывоопасной смеси

Из представленных выше данных можно установить, что утечка газа из фланца АЦТ-8(130) продолжалась порядка тут = 11 ч. Отсюда можно оценить величину утечки [8].

Для заполнения всего помещения пропан-бутаном до стехиометрической концентрации необходимо его количество:

дап_6 стх = Кпом Фстх Рп-б = 807 \3,5 • 2,4 » 68 КГ, (10)

100

100

где Гпом — объем помещения гаражного бокса; ^ом = 807М3;

рп_б — плотность пропан-бутана; рп_б = 2,4кг/м3.

Так как в процессе горения продукты сгорания расширяются относительно исходной смеси, в помещении сгорает не вся смесь, а только небольшая часть ее, а остальная истекает через проемы. Поэтому такие же последствия будут и при количестве

газа тп-б.экв:

«п-б.экв = «п-б.стх/е = 68/6,3 = 10,8 кг. (11)

После выливания жидкой фазы в АЦТ-8(130), послужившей причиной утечки газа, остался пропан-бутан в паровой фазе в количестве:

«п-б.цист = Рцист Рп = 6,2-14,035 * 87 кг, (12) где Гцист — полезный объем цистерны, м3;

Рцист = 6,2 м3;

рп — плотность паровой фазы пропан-бутана в

цистерне при рабочем давлении; рп = 14,035 кг/м3.

Оценим величину утечки газа О (кг/с):

1) для создания стехиометрической концентрации во всем объеме гаражного бокса:

G =

^п-б.стх

68

3600тут 3600 • 11

= 1,7 • 10 кг/с; (13)

2) для создания локального объема стехиомет-рической смеси, сгорание которой даст эквивалентное избыточное давление:

10,8

G2 =

m

п-б.экв

3600ту

3600• 11

= 2,7 • 10 кг/с. (14)

Следовательно, диапазон утечки находится между 2,7-10-4 и 1,710-3 кг/с.

Так как по прибытии пожарных подразделений газ, истекающий через фланец, горел, а высота факела, со слов руководителя тушения пожара, состав-

ляла порядка 0,6 м, согласно формуле (П3.71) [9] рассчитаем высоту факела пламени при этих расходах:

• при расходе 1,710-3 кг/с:

£фак = ^О0,4= 13,5(1,7-10-3)0,4 * 1 м; (15)

• при расходе 2,7-10-4 кг/с:

£Фак = KG ' = 13,5(2,7-10)°

; 0,5 м,

(16)

где К — эмпирический коэффициент, принимаемый равным 13,5 при истечении паровой фазы СУГ. Как видно из расчетов, полученные результаты подтверждают показания очевидцев.

Рассмотренный случай аварии, связанный с утечкой и воспламенением газовоздушной смеси, лишний раз подтверждает необходимость выполнения требований пожарной безопасности, игнорирование которых может привести к самым трагическим последствиям.

В заключение следует отметить, что существующие понятия и расчетные методики теории горения газопаровоздушных смесей позволяют с достаточной точностью прогнозировать параметры и последствия взрывов в замкнутых объемах. В то же время все существующие методики имеют ряд допущений и не в полной мере учитывают такой сложный и многофакторный процесс, как дефлаграци-онное горение. Например, значительные трудности возникают при определении площади фронта пламени из-за его сложной структуры, поэтому методы оценки параметров взрывов газопаровоздушных смесей требуют дальнейшего развития и совершенствования.

Таким образом, при рассмотрении данной аварии была выявлена физическая картина происходящих явлений вследствие сгорания газовоздушной смеси в помещении. Установлены причины, повлекшие за собой такие последствия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. МокшанцевА. В., ТетеринИ.М., ТопольскийН. Г.Модели, методы и алгоритмы поддержки принятия управленческих решений при поиске и обнаружении пострадавших под завалами, образующимися в результате чрезвычайных ситуаций, аварий, пожаров и взрывов // Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности". —2013. — Т. 51, № 5. — С. 1. URL: http://academy-gps.ru/img/UNK/asit/ttb/2013-5 (дата обращения: 05.05.2014 г.).

2. Комаров А. А. Прогнизирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка последствий их воздействия на здания и сооружения : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. — М. : МГСУ, 2001. —36 с.

3. Казенное В. В. Динамические процессы дефлаграционного горения во взрывоопасных зданиях и помещениях : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. — М. : МГСУ, 1997. — 36 с.

4. Громов Н. В. Совершенствование технической системы обеспечения взрывоустойчивости зданий при взрывах газо-паровоздушных смесей : автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М. : МГСУ, 2007.—25 с.

Bradley D., Mitcheson A. The venting of gaseous explosion in spherical vessels. I-Theory // Combustion and Flame. — 1978. — Vol. 32. — P. 221-236.

Lohrer C., Drame C., Schalau B., Gratz R. Propane/air deflagration and CTA measurements of turbulence inducting elements in closed pipes // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. — 2008.—Vol. 21.—P. 1-10.

Catlin C. A. Scale effects on the external combustion caused by venting of a confined explosion // Combustion and Flame. — 1991. — Vol. 83, No. 3-4. — P. 399-411.

ВасюковГ.В. Пожарная безопасность помещений хранения и технического обслуживания газобаллонных автомобилей : автореф. дис.... канд. техн. наук. —М. : АГПС МЧС России, 2006. —28 с. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах : приказ МЧС России от 10.07.2009 г. № 404; введ. 10.07.2009 г. — М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.

Материал поступил в редакцию 13 мая 2014 г.

-. English

GAS EXPLOSION AT THE GAS-FILLING STATION IN THE SETTLEMENT OF CHAGODA. CAUSES AND CONSEQUENCES

KOMAROV A. A., Doctor of Technical Sciences, Professor of Hydraulics Department, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation)

VASYUKOV G. V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Deputy Head of Combustion Processes Department, State Fire Academy of Emercom of Russia (Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

ZAGUMENNIKOV R. A., Postgraduate Student, State Fire Academy of Emercom of Russia (Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian Federation)

BUZAEV E. V., Postgraduate Student, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation)

ABSTRACT

Burning gases are used in everyday life and in manufacturing. However, it should be considered, that along with beneficial properties burning gases represent a large fire hazard and may lead to the most serious emergency situations. The most common are propane-butane and natural gas. Propane-butane is 1.6 times heavier than air, natural gas is 1.8 times lighter, and it brings certain features to mechanism of forming explosive cloud during leakage.

The most common cause of explosions is human factor, when neglect of basic fire safety requirements leads to the most serious impact. An example of such an accident was the explosion at a gas-filling station in Chagoda (Vologodskiy region). During the explosion the administrative building along with a garage box was completely destroyed. Two people were injured, one died.

The reason of emergency was gas leakage occurred through the flange at one of the pipelines of transportable gas filling tank trucks, that was places in enclosed space.

Based on the analysis of the emergency situation was developed a possible scenario of an accident, defined the approximate pressure of explosion inside the garage box, that was 9.2 kPa, as well as the flow rate of combustion products in the doorway that led to the death and amounted to 296 m/s. Thus the acceleration that got the man was about 80.5 m/s.

In conclusion was noted, that considerable difficulties appear while analyzing the area of the flame, taking into account its difficult structure. That's why methods of analyzing different parameters of gas mixtures' explosion require further development and improvement of the system.

Keywords: gas leakage; explosion; explosive cloud; gas-filling station; deflagration burning.

REFERENCES

1. Mokshantsev A. V., Teterin I. M., Topolskiy N. G. Modeli, metody i algoritmy podderzhki prinyatiya upravlencheskikh resheniy pri poiske i obnaruzhenii postradavshikh pod zavalami, obrazuyushchimisya v rezultate chrezvychaynykh situatsiy, avariy, pozharov i vzryvov [Models, methods and algorithms of support of decision-making in the search and find survivors under the rubble, formed in the result of emergency situations, accidents, fires and explosions]. Internet-zhurnal "Tekhnologii tekhnosfernoy bezopasnosti"—Internet Journal "Technospheric Safety Technology", 2013. vol. 51, no. 5. Available at: http://academygps.ru/img/UNK/asit/ttb/2013-5 (Accessed 5 May 2014).

2. Komarov A. A. Prognozirovaniye nagruzok ot avariynykh deflagratsionnykh vzryvov i otsenka po-sledstviy ikh vozdeystviya na zdaniya i sooruzheniya: avtoref. dis. d-ra tekhn. nauk [Prediction loads against deflagration explosions accidental and impact assessment of their effects on buildings and structures. Abstracts of dr. tech. sci. diss.]. Moscow, Moscow State University of Civil Engineering Publ., 2001. 36 p.

3. Kazennov V. V. Dinamicheskiyeprotsessy deflagratsionnogo goreniya vo vzryvoopasnykh zdaniyakh i pomeshcheniyakh: avtoref. dis. d-ra tekhn. nauk [Dynamic processes deflagration burning in potentially explosive the buildings and premises. Abstracts of dr. tech. sci. diss.]. Moscow, Moscow State University of Civil Engineering Publ., 1997. 36 p.

4. Gromov N. V. Sovershenstvovaniye tekhnicheskoy sistemy obespecheniya vzryvoustoychivosti zdaniy pri vzryvakh gazo-parovozdushnykh smesey: avtoref. dis. kand. tekhn. nauk [Improving the explosion proof technical system of buildings of gas-vapor mixtures explosions. Abstracts of cand. tech. sci. diss.]. Moscow, Moscow State University of Civil Engineering Publ., 2007. 25 p.

5. Bradley D., Mitcheson A. The venting of gaseous explosion in spherical vessels. I-Theory. Combustion and Flame, 1978, vol. 32, pp. 221-236.

6. Lohrer C., Drame C., Schalau B., Gratz R. Propane/air deflagration and CTA measurements of turbulence inducting elements in closed pipes. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2008, vol. 21, pp. 1-10.

7. Catlin C. A. Scale effects on the external combustion caused by venting of a confined explosion. Combustion and Flame, 1991, vol. 83, no. 3-4, pp. 399-411.

8. Vasyukov G. V. Pozharnaya bezopasnostpomeshcheniy khraneniya i tekhnicheskogo obsluzhivaniya gazoballonnykh avtomobiley: avtoref. dis. kand. tekhn. nauk [Fire safety of premises maintenance and storage gas-ballon cars. Abstracts ofcand. tech. sci. diss.]. Moscow, State Fire Academy ofEmercom of Russia Publ., 2006. 28 p.

9. Technique of determination of settlement sizes of fire risk on production objects. Order ofEmercom of Russia on 10.07.2009 No. 404. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection ofEmercom of Russia Publ., 2009 (in Russain).