Защита на взрывоопасных объектах

Взрыв — быстро протекающий процесс физического или химического превращения веществ, сопровождающийся высвобождением большого количества энергии в ограничен­ном объеме, в результате которого в окружающем простран­стве образуется и распространяется ударная волна, способная создать угрозу жизни и здоровью людей, нанести матери­альный ущерб, ущерб окружающей среде и стать источни­ком ЧС.

Источником энергии при взрыве могут быть как хими­ческие, так и физические процессы. В большинстве взры­вов источником выделения энергии являются химические превращения веществ, связанные с окислением. Существует много веществ, в которых в том или ином виде запасено боль­шое количество энергии, например в виде внутримолекуляр­ных и межмолекулярных связей. В нормальных условиях эти вещества достаточно устойчивы и могут находится в твердом, жидком, газообразном или аэрозольном состоянии. Однако в результате инициирующего воздействия (теплотой, трением, ударом или каким-либо другим способом) в них начинаются экзотермические процессы, протекающие с большой скоро­стью и приводящие к взрывчатому превращению.

Наиболее распространенными конденсированными взрыв­чатыми веществами являются тротил, гексоген, дымный порох, пироксилин, аммотол, октоген и некоторые другие. Взрывы конденсированных ВВ протекают в режиме детонации, при котором взрывная волна в заряде распространяется с посто­янной скоростью. Скорость детонации находится в преде­лах от 1, 5 до 8 км/с, а давление в эпицентре взрыва дости­гает 20-38 ГПа.

Примерами взрывов, энерговыделение при которых обу­словлено физическими процессами, могут служить аварий­ное выливание расплавленного металла в воду, при котором испарение протекает взрывным образом вследствие чрезвы­чайно быстрой теплоотдачи, и взрывы сжатых или сжижен­ных газов. В этом случае энергия определяется процессами, связанными с адиабатическим расширением парогазовых сред и перегревом жидкостей.

На промышленных предприятиях наиболее взрывоопас­ными являются образующиеся в нормальных или аварийных ситуациях газовоздушные и пылевоздушные смеси.

Из ГВС наиболее опасны взрывы смесей углеводородных газов с воздухом, а также паров легковоспламеняющихся жидкостей. Взрывы ПлВС происходят на мукомольном про­изводстве, на зерновых элеваторах, при обращении с красите­лями, при производстве пищевых продуктов, в текстильной промышленности и т.п.

Суммарное выделение энергии при взрыве оценивается энергетическим потенциалом взрыва.

Виды взрывов и оценка опасных факторов взрыва. На практике чаще других встречаются свободные воздуш­ные взрывы, наземные (приземные) взрывы, взрывы внутри помещений (внутренний взрыв), а также взрывы больших облаков ГВС.

Свободные воздушные взрывы. К ним относят взрывы, происходящие на значительной высоте от земной поверх­ности, когда не происходит усиления ударной волны между центром взрыва и объектом за счет отражения. Взрывная волна ослабляется по мере ее распространения, и по харак­теру воздействия на окружающую среду образуются три зоны: ближайшая, промежуточная и слабого взрыва. Ближайшая к источнику зона характеризуется огромными давлениями и температурами. В промежуточной зоне, в которой избы­точное давление достаточно велико, возможны тяжелые раз­рушения и смертельные поражения людей. В зоне слабого взрыва могут быть средние и слабые разрушения и пораже­ния людей средней степени тяжести.

Основным параметром, определяющим поражающее воздействие ударной волны на людей и объекты, является избыточное давление во фронте ударной волны ЛРф. Оно зависит от массы М заряда ВВ в тротиловом эквиваленте, условий взрыва и расстояния х от центра взрыва до объекта. Для практических расчетов зависимость избыточного давле­ния взрыва (МПа) от расстояния, массы заряда и вида взрыва определяется формулой

Наземные и приземные взрывы. Если взрыв происходит на земной поверхности, то воздушная ударная волна от взрыва усиливается за счет отражения. Параметры ударной волны рассчитывают по формуле свободного воздушного взрыва, однако величину энергии взрыва удваивают.

В случае кон­денсированных ВВ избыточное давление взрыва можно рас­считывать по соотношению

Более сложные процессы происходят при взрывах в при­земных слоях атмосферы. При этих взрывах образуются сферические воздушные ударные волны, распространяю­щиеся в пространстве в виде области сжатия — разреже­ния (рис. 14.5).

Фронт воздушной ударной волны характеризуется скач­ком давления, температуры, плотности и скорости частиц воздуха. При достижении сферической ударной волны зем­ной поверхности она отражается от нее, что приводит к фор­мированию отраженной волны. На некотором расстоянии от эпицентра взрыва (проекции центра взрыва на земную поверхность) фронты прямой и отраженной ударных волн

Э — эпицентр взрыва; П — фронт падающей волны; О — фронт отраженной волны; А — зона регулярного отражения; Б — зона нерегулярного отражения; Г — фронт головной ударной волны

сливаются, образуя головную волну, имеющую фронт, нор­мальный к земной поверхности и перемещающийся вдоль ее поверхности. Область пространства, где отсутствует наложе­ние и слияние фронтов, называется зоной регулярного отра­жения, а область пространства, в которой распространяется головная волна, — зоной нерегулярного отражения.

С момента прихода фронта воздушной ударной волны в точку наземной поверхности давление резко повышается до максимального значения Δ Р_ф, а затем убывает до атмо­сферного Р₀ и ниже его. Период повышенного избыточного давления называется фазой сжатия, а период пониженного давления — фазой разрежения.

Действие воздушной ударной волны на здания и сооруже­ния определяется не только избыточным давлением, но и ско­ростным напором воздушных масс.

Внутренний взрыв. Он характеризуется тем, что нагрузка воздействует на объект изнутри. Возникающие нагрузки зависят от многих факторов: типа взрывчатого вещества, его массы, полноты заполнения внутреннего объ­ема помещения взрывчатым веществом, его местоположе­ния во внутреннем объеме и т.д. Полное решение задачи определения параметров взрыва является сложной задачей. Ориентировочно оценку возможных последствий взрывов внутри помещения можно производить по величине избы точного давления, возникающего в объеме производствен­ного помещения.

Для горючих газов, паров легковоспламеняющихся и горю­чих жидкостей, состоящих из атомов Н, О, N, CI, F, L, Вг, избыточное давление взрыва

где Р_max — максимальное давление взрыва стехиометрической газо- или паровоздушной смести в замкнутом объеме, кПа (опре­деляется экспериментально или по справочным данным, при отсутствии данных допускается принимать равным 900 кПа); р₀ — начальное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа); М_т — масса горючего газа или паров легковоспламе­няющейся или горючей жидкости, поступивших в результате аварии в помещение, кг; Z — доля участия взвешенного дисперс­ного продукта во взрыве; р_г— плотность газа, кг/м³; V_CB— сво­бодный объем помещения, м³ (определяется как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием; если свободный объем помещения определить невозможно, то его принимают условно равным 80% геомет­рического объема помещения); С_сг — стехиометрический коэф­фициент; — коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения (допускается принимать равным 3).

Избыточное давление взрыва для химических веществ, кроме упомянутых выше, а также для смесей равно

где H_г — теплота сгорания, Дж/кг; р_в — плотность воздуха до взрыва при начальной температуре, кг/м³ (допускается принимать равной 1, 01 * 10³ ДжДкг * К)); Т₀— начальная температура воздуха, К.

Избыточное давление взрыва для горючих пылей опреде­ляют по формуле, где при отсутствии данных коэффициент Z принимается равным 0, 5.

Основные параметры взрыва некоторых аэрозолей при­ведены в табл. 14.5.

Расчет избыточного давления взрыва для веществ и мате­риалов, способных взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом, проводят по формуле, принимая Z= 1.

Расчетное избыточное давление взрыва Δ Р для гибрид­ных взрывоопасных смесей, содержащих газы (пары) и пыли, равно

Δ Р = Δ Р₁ + Δ Р₂,

где Δ P₁ — давление взрыва, вычисленное для газа (пара); Δ Р₂ — дав­ление взрыва, вычисленное для пыли.

Взрыв (горение) газового облака. Причинами взрывов могут быть большие газовые облака, образующиеся при утечках или внезапном разрушении герметичных емкостей, тру­бопроводов и т.п. Процесс взрыва или горения таких газовых облаков имеет ряд специфических особенностей, что приводит к необходимости рассмотреть эти процессы отдельно, Образующиеся в атмосфере газовые облака чаще всего имеют сигарообразную форму, вытянутую по направлению ветра Инициаторы горения или взрыва в этих случаях носят чаще всего случайный характер. Причем воспламенение не всегда сопровождается взрывом.

При плохом перемешивании газообразных вещев с атмосферным воздухом взрыва вообще не наблюдаете» В этом случае при воспламенении газо- или паровоздуш­ной смеси от места инициирования с дозвуковой скоростью будет распространяться «волна горения». Так как распро­странение пламени происходит со сравнительно низкой ско­ростью, в волне горения давление не повышается. В таком процессе имеет место только расширение продуктов горе­ния за счет их нагрева в зоне пламени, и давление успевает выровняться по всему объему. Медленный режим горения облака с наружной поверхности с большим выделением лучистой энергии может привести к образованию множе­ства очагов пожаров.

При оценке разрушительного действия взрыва газового облака в открытом пространстве необходимо определить избыточное давление (скоростной напор) во фронте пламени. Если пламя распространяется от точечного источника зажи­гания в неограниченном пространстве, то оно имеет форму, близкую к сфере. Для пламени предельных углеводородов скоростной напор в открытом пространстве может дости­гать 26 кПа.

По избыточному давлению взрыва можно ориентировочно оценить степень воздействия ударной волны на людей, технику и сооружения (табл. 14.6 и 14.7). При количественной оценке степени поражения применены средние значения давлений, вызывающие ту или иную степень поражения у 50% постра­давших (П₅₀). В целом, по международным нормам, опасным для чело­века является избыточное ДРф > 6, 9 кПа.

Таблица 14.6

Давления ударной волной, вызывающие поражения человека

В целом, по международным нормам, опасным для чело­века является избыточное Δ Рф ≥ 6, 9 кПа.

Таблица 14.7