Визначення ступеню руйнування при аваріях на вибухо - небезпечному підприємстві

В випадку аварії технологічних установок, ємностей і трубопроводів на підприємствах з вибухо - і пожежонебезпечною технологією можливий вихід в оточуюче середовище газоподібних або зріджених продуктів. При змішуванні вуглеводневих продуктів з повітрям виникають вибухо - і пожежонебезпечні суміші. Особливу увагу треба приділяти дотриманню заходів безпеки у сховищах вибухонебезпечних і сильнодіючих отруйних речовин, зріджених газів, нафтопродуктів, сховищах вугілля, а також борошна, мастил, цукру і інш.

Найбільш вибухо - і пожежонебезпечні суміші з повітрям утворюють вуглеводневі гази – метан, пропан, бутан, етилен, пропілен та інші. При цьому можливі два варіанти розвитку ситуації: детонаційний вибух або дефлаграційне горіння.

В зоні детонаційного вибуху швидкість розповсюдження вогню може перевищити швидкість звука. надлишковий тиск в детонаційної хвилі досягає в ряді випадків 1000 – 2000 кПа. Температура підвищується до 1500 – 3000 ⁰ С. Це може привести до повного руйнування будинків і споруд, загибелі людей, складної пожежної обстановки. Ударна хвиля, яка сформувалася в зоні детонації, розповсюджується на десятки, сотні і навіть тисячі метрів від місця вибуху. При дефлаграційному горінні швидкість розповсюдження вогню не перевищує 100 – 200 м/с, а тиск 20 – 100 кПа. При швидкості 1 м/с ударна хвиля не утворюється.

Розміри зони детонаційного вибуху, параметри надмірного тиску і температури горючих газів. а також загальна обстановка в районі аварії залежать від кількості вибухонебезпечної речовини, питомої теплоти згоряння, концентраційних меж воспламініння і інших характеристик газо -, паро – і пилоповітряної суміші.

Концентраційні межі загоряння речовин характеризуються кількістю газу в одному кубічному метрі повітря, при якому можливе загоряння і стійке горіння газоповітряної суміші. Нижня межа (НКМВ) характеризує “бідну суміш”, коли недостатньо горючої речовини для підтримання стійкого горіння і вибуху. Верхня межа (ВКМВ) – “багату суміш” по вмісту горючого матеріалу, проте недостатня кількість окислювача не дозволяє підтримувати стійке горіння (вибух). Для більшої кількості вуглеводневих газів (речовин) нижня концентраційна межа змінюється від 1 до 3% горючої речовини в 1 м³ повітря при нормальній його температурі і вологості. Верхній – від 5 до 16% (для ацетилену до 81%). Стехіометричній склад суміші газів і парів горючих речовин з повітрям, при якому можлива детонація (вибухове горіння) визначається наявністю у повітрі 2 –6 % горючої речовини (приблизно вдвічі більше НКМВ)

Швидкість розповсюдження вогню при вибуховому горінні, яка характеризує максимальний тиск в детонаційної хвилі, досягає 300 – 320 м/сек. Причому цей тиск при вибухах різних вуглеводневих речовин може мінятися від 500 до 2000 кПа. Він наростає при цьому порівняною нешвидко, час його дії - лиш кілька десятків а іноді і сотні мілісекунд. Таким чином, можна вважати, що навантаження при вибуху газо -, пароповітряної суміші в цілому близькі до імпульсних.

Визначення надлишкового тиску і ступеню руйнування будівель при вибуху в закритому приміщенні

Надлишковий тиск вибуху для горючих речовин, яки складаються з атомів C, H, O, Cl, Br, I, F визначають за формулою:

Р = (Р_max - Рo) * (100* m *z) / (V_{с в.} * C _стех. k _н r),

де Р_max - максимальний тиск вибуху стехіометричної газоповітряної або пароповітряної суміші у замкнутому об’ємі, кПа;

Рo – початковий тиск (приймається рівним 101 кПа);

m – маса горючої речовини, газу, кг;

z – коефіцієнт участі горючого в вибуху (для горючих газів – 0.5; ЛЗР - 0.3);

V_{с в} – вільний об’єм приміщення, м ³ ;

C _стех. – стехіометрична концентрація горючого газу або пару, об.%;

C _стех. = 100 (1 +4.84β), де β – стехіометричній коефіцієнт кисню в реакції згоряння: β = n_C + (n_Н + n_Х) / 4 - n_О, тут n_C, n_Н, n_Х, n_О - число атомів вуглецю, водню, галогенів, кисню в молекулі горючого.

k _н - коефіцієнт негерметичності приміщення (приймається рівнім 3);

r- густина пару або газу.

Надлишковий тиск вибуху для горючих речовин, крім зазначених вище, а також сумішей, можна розраховувати наступним чином:

DР = (m * Н_Т *z* Рo) / (V_{с в.} * Т ₀ * С _р*k _н* r _в),

де - Н_Т - теплота згоряння, Дж / кг.

r _В - густина повітря до вибуху, кг/ м ³;

С _р - теплоємність повітря (приймається рівною 1.01 * 10 ³ Дж / кг * К);

Т ⁰ – початкова температура повітря, К.

Таблиця 3.3 - Деякі властивості горючих речовин

Найменування горючої речовини	Густина кг/ м^3	Максимальний тиск, кПа	Теплота згоряння кДж /кг	Формула
толуол	3.84	--		С7Н8
метил. спирт	1.32	747.4	--	СН4О
ксилол	1.44	--		С 8Н10
ацетон	2.4	901.9		С6Н6 О
бензол	3.32			С 6 Н6
етил. спирт	1.92	752.5	--	С2 Н 6 О
магній	--	565.6		М g
метан	0.665	727.2		СН 4
титан	--	505.0	Продовження таблиці 3.3 19065	Ті
мазут	--	--		Суміш нафтопродуктів
ацетилен	1.09	1040.3		С 2Н 2
цирконій	--	454.		Zr

Приклад 3.1 У виробничному приміщенні розміром 20*8*3 м. в результаті аварії на трубопроводі розлилося 15 кг. бензолу. Приміщення – з легким металевим каркасом. Визначить ступінь руйнування будинку.

Рішення: 1. Стехіометричній коефіцієнт кисню в реакції згоряння (формула бензолу - С ₆ Н₆):

β = n_C + (n_Н + n_Х) / 4 - n_О = 6 + 6/4 = 7.5

2. Стехіометрична концентрація:

C _стех. = 100 /(1 +4.84β) = 100/ (1+ 4.84 * 7.5) = 2.68

3. Вільний об’єм приміщення V_СВ. = V_ПР. * 0.8 = 480 * 0.8 = 384 м³

5. Надлишковий тиск:

Р = (Р_max - Рo) * (100* m *z) / (V_{с в.} * C _стех. k _н r) =

= (909 – 101) (100 * 15 *0.3) / (384* 2.68 * 3 * 3.32) = 35.46 кПа.

5. При надлишковому тиску 35.46 кПа будинок приміщення отримує великі руйнування. Цей висновок ми робимо, використовуючи таблицю 3.6.